Астронет | Картинка дня | Обзоры astro-ph | Новости | Статьи | Книги | Карта неба | Созвездия | Переменные Звезды | Глоссарий

Физика космоса | Биографии | Словарь | Ключевые слова | Астрономия в России | Форумы | Семинары | Сверхновые

<< 5.3. Эфемеридное время | Оглавление | 5.5. Динамические шкалы времени >>

5.4. Атомное время

Шкала атомного времени TAI (Temps Atomique International) была построена в середине XX века. Она основана на использовании квантовых стандартов частоты и повторяющемся с большой точностью естественном процессе: резонансном переходе атомов с одного энергетического уровня на другой. Шкала TAI равномерна на длительных промежутках времени и не зависит от вращения Земли. За единицу измерения времени принимается атомная секунда (секунда СИ), определяемая в соответствии с резолюцией XIII конференции Международного комитета мер и весов (1967 г.) как промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих частоте излучения атомом при резонансном переходе между энергетическими уровнями сверхтонкой структуры основного состояния при отсутствии внешних магнитных полей на уровне моря. В основу этого определения атомной секунды были положены результаты эксперимента, проведенного Морской обсерваторией США и Национальной физической лабораторией (Англия) по определению номинальной частоты цезиевого стандарта. Длительность секунды TAI была выбрана такой, чтобы она соответствовала длительности секунды эфемеридного времени ET для 1900 г. Атомная секунда определена с точностью порядка относительно эфемеридной секунды.

Чтобы исключить неоднозначную трактовку термина "на уровне моря", в стандартах Международной службы вращения Земли (1996) выбран геоид, соответствующий значению геопотенциала (4.1)    м$^2$с$^-2$. С 2000 г. значение переопределено (см. ниже).

Каждый атомный стандарт частоты определяет собственную шкалу атомного времени. Время находится интегрированием стабильной частоты, определяемой частотой квантового перехода между конкретными энергетическими состояниями атомов цезия (Cs), водорода (H), рубидия (Rb), ртути (Hg) и др. Поэтому стандарты частоты бывают цезиевые, водородные, рубидиевые и др. Цезиевые и водородные стандарты частоты составляют основу национальных эталонов времени и частоты и используются для формирования национальных и международной шкал атомного времени.

При интегрировании частоты начало шкалы времени не определено. Следовательно, нуль-пункты различных шкал атомного времени могут не совпадать. Кроме того разность нуль-пунктов шкал может изменяться из-за случайных и систематических погрешностей (или вариаций хода) атомных стандартов частоты. Со случайными и систематическими вариациями частоты связаны две важнейшие характеристики атомных часов: нестабильность и точность.

Нестабильность частоты определяется дисперсией Аллана. Дисперсия Аллана связана со среднеквадратичной ошибкой разности двух измерений частоты, которые разделены временным интервалом , т.е. с постоянством частоты во времени:

где

а символ обозначает усреднение в бесконечных пределах:

При увеличении до определенной величины случайные флуктуации частоты усредняются, и дисперсия Аллана уменьшается; однако при дальнейшем увеличении начинается систематическое увеличение шумов, приводящее к увеличению дисперсии Аллана. На рис. 5.8 показана нестабильность наиболее распространенных стандартов частоты, а также шкал времени (UT, TAI и пульсарной PSR).

Нестабильность лучших цезиевых стандартов достигает при времени усреднения порядка нескольких суток. Водородные стандарты имеют лучшую кратковременную нестабильность (до ) на интервале 100-1000 с. Недавно Парижская обсерватория объявила о разработке новых цезиевых часов, принцип действия которых основан на использовании цезиевого атомного фонтана. Ожидается, что нестабильность этих часов достигнет на интервале усреднения порядка нескольких суток.

Открытие пульсаров, разработка методов наблюдения и теории обработки наблюдений позволяют надеяться на построение новой шкалы пульсарного времени, которая принципиально отличается от шкалы атомного времени и превышает ее по стабильности на длительных интервалах времени.

В настоящее время нестабильность секунды TAI на интервалах времени от одного месяца до одного года равна или чуть меньше . На больших интервалах усреднения нестабильность увеличивается (до ).

Идеальный стандарт будет генерировать постоянную во времени частоту. Однако, если величина частоты будет отличаться от номинальной (9192631770 Гц), то шкала этого стандарта будет равномерно расходиться с TAI. Отличие реальной частоты стандарта от номинальной называется его точностью. Точность секунды TAI равна примерно (одна сигма). Это означает, что шкала TAI расходится с идеальной шкалой времени примерно на 1 мкс в год. Пунктирной линией на рис. 5.8 показано расхождение шкал времени на разных интервалах с идеальной равномерной шкалой.

Атомные стандарты частоты появились в нескольких лабораториях в середине 60-х годов. В 1971 г. атомная шкала Международного бюро времени (МБВ) была принята в качестве международной шкалы и стала называться TAI. Начало отсчета времени в шкале TAI было выбрано таким образом, чтобы показания часов в шкалах TAI и UT1 совпадали в момент 1 января 1958 г. Так как для этого момента разность равнялась , то связь атомной шкалы TAI с ET установлена соотношением

До конца 1968 г. шкала TAI формировалась путем усреднения частоты нескольких цезиевых стандартов, имевшихся в МБВ. С 1969 г. шкала TAI основывается на показаниях многих стандартов, расположенных в лабораториях разных стран. В формировании шкалы TAI принимают участие более 30 институтов и лабораторий, располагающих атомными стандартами частоты. Показания часов сравниваются между собой с учетом релятивистских поправок и объединяются по специально разработанному алгоритму, позволяющему уменьшить ошибки при включении новых или удалении из обработки старых часов. Большое число водородных стандартов, используемых при вычислении TAI, обеспечивает высокую кратковременную стабильность шкалы, тогда как цезиевые стандарты гарантируют высокую точность, непрерывность шкалы и обеспечивают ее долговременную стабильность.^5.5

В настоящее время шкала TAI вычисляется по следующему алгоритму. Сначала каждому атомному стандарту, участвующему в выводе шкалы TAI, присваивается вес, который является функцией нестабильности частоты. Средняя частота х часов, определенная на ом двухмесячном интервале, используется для вычисления дисперсии Аллана:

где    месяца. Статистический вес стандарта пропорционален обратной величине дисперсии шести средних частот . Эта процедура позволяет исключить кратковременную нестабильность часов. Среднее значение дисперсии Аллана для ансамбля часов , вычисленное с учетом статистического веса часов , дает оценку нестабильности шкалы TAI.

Так как каждый из стандартов независим от остальных, то обозначим шкалу, формируемую ым стандартом как . Тогда по определению шкалы TAI имеем:

Константы определяют смещение нуль-пунктов шкал времени относительно TAI, а определяют ход часов. Обычно константы выбирают таким образом, чтобы в начальный момент времени значение совпадало с показаниями часов в используемой ранее шкале времени (для исключения скачков времени). Тогда из уравнения (5.20) при имеем:

Отсюда находим, что

Для определения величин заметим, что уход частоты часов зависит от свойств самих часов (обозначим как ) и от релятивистских эффектов , которые будут рассмотрены в следующем параграфе:

Вычисление релятивистских поправок выполняется на основе теории относительности. Так как в большой совокупности часов величины могут быть и положительными, и отрицательными, обычно полагают, что

Для вывода шкалы времени TAI показания атомных стандартов частоты должны сравниваться. Задача сравнения (синхронизации) часов сама по себе является сложной, и изложение теории и используемых методов выходит за рамки учебника. Отметим лишь, что для синхронизации часов используются два основных метода: первый основан на применении специальных радиосигналов и второй - на перевозке часов.

До середины 80-х годов использовались специальные радиосигналы точного времени или навигационные системы типа LORAN-C. Сейчас для этой цели используются глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС. На спутниках GPS установлены высокостабильные стандарты частоты, на основе которых формируется собственная атомная шкала, которая называется TAI(GPS). Шкала GPS имеет постоянное смещение относительно TAI, равное 19 с, т.е.

Для синхронизации и сличения частот наземных часов используются высокостабильные радиосигналы, излучаемые спутниками. Исправляя момент приема сигналов за время распространения сигнала от спутника, можно определить показание наземных часов в шкале GPS, т.е. синхронизовать их.

Если в пункте, где расположен ый стандарт частоты, принимается сигналов точного времени, то после учета времени задержки на распространение радиосигналов можно записать уравнений, связывающих показания стандарта частоты и показания часов на ом передатчике радиосигналов:

Определим новые переменные как

Тогда из системы уравнений

можно найти величины . Таким образом шкала TAI реализуется в виде поправок к показаниям конкретных атомных стандартов частоты, участвующих в сравнении. Решение системы (5.21) выполняется в Международном бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM). Поправки для определенных дат публикуются в "Циркуляре Т" BIPM (рис. 5.9).

Кроме этого на сайте BIPM (http://www.bipm.fr) можно найти информацию о ходе всех часов, которые используются для вычисления шкалы TAI. В качестве примера на рис. 5.10 показаны результаты измерений хода четырех водородных стандартов частоты, принадлежащих разным организациям.

---

<< 5.3. Эфемеридное время | Оглавление | 5.5. Динамические шкалы времени >>

Публикации с ключевыми словами: астрометрия - сферическая астрономия - системы координат - шкалы времени Публикации со словами: астрометрия - сферическая астрономия - системы координат - шкалы времени
См. также: 80 лет со дня рождения Альберта Петровича Гуляева Руководство по практической работе с каталогом Hipparcos К 70-летию Вилена Валентиновича Нестерова Полная версия "Сферической астрономии" В.Е.Жарова Обзор геостационарной орбиты на двойном астрографе УАФО Отдел пульсарной астрометрии ПРАО АКЦ ФИАН Прямое определение расстояния до центра Галактики Все публикации на ту же тему >>