4.3: 保持时间
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释太阳日和恒星日之间的区别
- 解释平均太阳时间和时区的原因
时间的测量基于地球的自转。 在人类历史的大部分时间里，时间都是根据太阳和星星在天空中的位置来计算的。 直到最近，机械和电子钟才接管了调节我们生活的这一功能。
一天的时长
最基本的天文时间单位是天，以地球的自转来衡量。 但是，定义日期的方法不止一种。 通常，我们将其视为地球相对于太阳的自转周期，称为太阳日。 毕竟，对于大多数人来说，日出比Arcturus或其他恒星的升起时间更重要，因此我们将时钟设置为某种版本的太阳时间。 但是，天文学家也使用恒星日，它是根据地球相对于恒星的旋转周期来定义的。
太阳日比恒星日稍长，因为（如图所示）地球不仅会转动，而且还会在一天之内沿着绕太阳的路径移动。 假设我们从地球的轨道位置处于第一天时开始，太阳和一颗遥远的恒星（位于指向左边的白色长箭头所示的方向）都与地球上观察者的天顶直接对齐。 当地球完成相对于遥远恒星的一次旋转并且处于第二天时，长箭再次指向同一颗遥远的恒星。 但是，请注意，由于地球从第一天到第二天沿其轨道移动，太阳尚未到达观察者上方的位置。 要完成一个太阳日，地球必须额外旋转一次，等于整回合的1/365。 这种额外轮换所需的时间为一天的 1/365，或大约 4 分钟。 因此，太阳日比恒星日长约4分钟。
因为我们的普通时钟设置为太阳时间，所以恒星每天提前 4 分钟升起。 天文学家更喜欢用恒星时间来计划观测结果，因为在恒星系统中，一颗恒星每天都在同一时间升起。
示例\(\PageIndex{1}\)：恒星时间和太阳时
太阳大约每 24 小时在天空中形成一个完整的圆圈，而星星则缩短 4 分钟，即 23 小时 56 分钟，在天空中形成一个完整的圆圈。 这会导致恒星在白天或晚上的给定时间每天的位置略有变化。 由于恒星每天提前 4 分钟升起，因此计算为每月大约 2 个小时（4 分钟 × 30 = 120 分钟或 2 小时）。 因此，如果一个特定的星座在冬季日落时升起，你可以肯定，到了夏天，它会随着日出提前 12 小时升起，而且在夜空中不会那么容易看见。 假设今晚明亮的星星小天狼星在晚上 7 点从给定的位置升起，所以到了午夜，它在天空中已经很高了。 三个月后小天狼星将在什么时候崛起？
解决方案
三个月后，小天狼星将通过以下方式提早崛起：
\[ 90 \text{ days} \times \frac{4 \text{ minutes}}{ \text{ day}} = 360 \text{ minutes or } 6 \text{ hours} \nonumber\]
它将在下午 1:00 左右升起，在日落时分而不是午夜时分升至天空中。 小天狼星是 Canis Major（大狗）星座中最亮的恒星。 因此，稍后在天空高处还会突出显示其他星座。
练习\(\PageIndex{1}\)
如果一颗恒星在今晚 8:30 升起，大约两个月后它会在什么时候升起？
- 回答
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两个月后，这颗星将升起：
\[ 60 \text{ days} \times \frac{4 \text{ minutes}}{ \text{ day}} =240 \text{ minutes or } 4 \text{ hours earlier.} \nonumber\]
这意味着它将在下午 4:30 上涨。
表观的太阳时间
我们可以将视在太阳时间定义为根据太阳在天空中的实际位置（或者在夜间，太阳在地平线以下的位置）计算的时间。 这是日拨号表示的那种时间，它可能是古代文明最早使用的时间衡量标准。 今天，我们采用半夜作为一天的起点，并以自午夜以来的小时数来衡量时间。
在上半天，太阳还没有到达子午线（穿过我们天顶的天空中的大圆圈）。 我们将这些时间指定为中午之前（子午之前或上午），即太阳到达当地子午线之前。 我们通常重新开始对中午之后的小时进行编号，然后在太阳到达当地子午线后的下午（子午后）之前指定这些时间。
尽管表面太阳时间看起来很简单，但使用起来并不是很方便。 在一年中，表观太阳日的确切长度略有不同。 由于地球在椭圆轨道上的速度略有不同，因此太阳每年绕天空的旅程向东移动的速度并不均匀。 另一个复杂问题是地球的旋转轴不垂直于其旋转平面。 因此，视在太阳时间不会以统一的速度前进。 在发明了以统一速度运行的机械钟之后，有必要放弃将表面上的太阳日作为基本时间单位。
平均太阳时间和标准时间
相反，我们可以考虑平均太阳时间，该时间基于一年中太阳日的平均值。 平均太阳日恰好包含 24 小时，这是我们在日常计时中使用的。 尽管平均太阳时间具有以均匀速度增长的优势，但实际使用仍然不方便，因为它是由太阳的位置决定的。 例如，中午发生在太阳在头顶时。 但是因为我们生活在环绕地球上，所以中午的确切时间会有所不同，因为你通过向东或向西移动来改变经度。
如果严格遵守平均太阳时间，那么随着经度的变化，向东或向西行驶的人们必须不断重置手表，这样才能正确读取当地的平均时间。 例如，从长岛牡蛎湾前往纽约市的通勤者必须调整穿越东河隧道的行程时间，因为牡蛎湾的时间实际上比曼哈顿提前了大约1.6分钟。 （想象一下，在一次飞机旅行中，一位讨厌的空姐每分钟都会对讲机说：“请将手表重置为当地平均时间。”）
直到接近十九世纪末，美国的每个城市和城镇都保持自己的当地平均时间。 但是，随着铁路和电报的发展，对某种标准化的需求变得显而易见。 1883 年，美国被划分为四个标准时区（现在是六个，包括夏威夷和阿拉斯加），每个时区在该时区内有一个时区。
到 1900 年，世界上大部分地区都在使用 24 个标准化的全球时区系统。 在每个区域内，所有地点都保持相同的标准时间，标准经度线的当地平均太阳时间或多或少地穿过每个区域的中间。 现在，旅行者只有在时间变更达到整整一个小时时才会重置手表。 太平洋标准时间比东部标准时间早3小时，当东海岸有人在凌晨5点忘记给你打电话时，这一事实在加利福尼亚变得非常明显。
在全球范围内，几乎所有国家都采用了一个或多个标准时区，尽管最大的国家之一印度已经确定了半时区，比格林威治标准差5.5小时。 此外，几个大国（俄罗斯、中国）正式只使用一个时区，因此该国家的所有时钟都保持相同的时间。 例如，在西藏，太阳升起，而时钟（保持北京时间）表示已经是上午中旬了。
夏令时只是当地的标准时间加上 1 小时。 在美国大多数州以及许多国家，它已被用于春季和夏季使用，以将阳光延长到晚上，其明显的理论是，通过政府行动改变时间比个人或企业调整自己的日程安排要容易以产生同样的效果。 当然，它根本不会 “保存” 任何日光——因为日光量不是由我们对时钟的处理方式决定的，而且在一些州，遵守日光是立法辩论的焦点。
国际日期变更线
当你向东移动时，时间总是在前进，这是一个问题。 假设你向东环游世界。 平均而言，你大约每行驶一段经度 15° 就会进入一个新的时区，每次你都尽职尽责地将手表提前一个小时。 当你完成行程时，你已经将手表提前了整整 24 小时，因此比那些待在家里的人多了一天。
解决这一困境的方法是国际日期变更线，根据国际协议，该变更线大约沿着经度180°子午线延伸。 日期变更线沿着太平洋中部延伸，尽管为了避免穿过成群的岛屿和穿过阿拉斯加，它在一些地方会稍微慢跑（图\(\PageIndex{2}\)）。 按照惯例，在日期行处，日历的日期更改一天。 从西向东穿过日期线，从而提前时间，您可以通过减少日期来进行补偿；从东向西交叉则将日期增加一天。 为了使我们的星球保持合理的计时系统，我们只需要接受不同城市的日期同时会有所不同。 一个很好的例子是日本帝国海军轰炸夏威夷珍珠港的日期，在美国被称为1941年12月7日星期日，但教给日本学生的日期是12月8日星期一。
摘要
天文时间的基本单位是天——要么是太阳日（由太阳估算），要么是恒星日（由恒星估算）。 表观太阳时间基于太阳在天空中的位置，而平均太阳时间基于一年中一个太阳日的平均值。 根据国际协议，我们在全球范围内定义了 24 个时区，每个时区都有自己的标准时间。 国际日期变更线的惯例对于协调地球不同部分的时间是必要的。
词汇表
- 表观的太阳时间
- 时间以太阳在天空中的位置来衡量（用日碟表示的时间）
- 国际日期变更线
- 地球表面靠近经度 180° 的一条任意线，日期在这条线上变化一天
- 平均太阳时间
- 时间基于地球的自转；与表观太阳时间不同，平均太阳时间以恒定速率流逝
- 恒星日
- 地球的自转周期由星星在天空中的位置定义；同一颗恒星连续穿过子午线之间的时间
- 太阳日
- 地球的自转周期由太阳在天空中的位置定义；太阳连续穿过子午线之间的时间