1. Wstęp
Jak dawniej mierzono i wyznaczano czas, gdy nie było satelitów GPS ani komunikacji np. radiowej czy telefonicznej? Jak wynaleziono strefy czasowe oraz zmiany czasu z letniego na zimowy?
2. Początki mierzenia czasu
Zanim pojawiły się zegary słoneczne, mechaniczne, kwarcowe, atomowe - jeden zegar istniał od zawsze, od powstania naszej planety.
To właśnie planeta Ziemia i jej obrót wokół własnej osi. To dzięki niemu wiemy jaka jest pora dnia i kiedy nadchodzi dzień/noc na podstawie ruchu Słońca na niebie.
2.1 Historia zegarów
Zegar słoneczny
Na podstawie ruchu Słońca na niebie Egipcjanie w starożytności wynaleźli zegar słoneczny.
Zegar słoneczny składał się z tarczy z podziałką, na której stała nieruchoma wskazówka/gnomon, który rzucał cień na tą podziałkę. Dzięki temu cieniowi było wiadomo która jest godzina. Rano cień rzucany przez gnomon jest po innej stronie niż wieczorem.
 |
| Zegar słoneczny w Ogrodzie Saskim w Warszawie. autor: Aw58, źródło: wikipedia.org |
W Egipcie wynaleziono również klepsydrę.
Zegar mechaniczny
Pierwsze zegary mechaniczne pojawiły się w przełomie XIII-XIV wieku. Pierwsze tego typu zegary miały tylko wskazówkę godzinną (wskazówkę minutową wynaleziono dopiero w XVI wieku).
Jak ktoś podróżuje po świecie, to może natrafić np. na stare kościoły czy katedry, gdzie zegar na wieży ma tylko jedną wskazówkę. To nie oznacza, że wskazówka minutowa się rozpadła i nikt jej nie naprawił/wymienił, tylko że te budynki są starsze.
W XVI wieku pojawiły się zegarki kieszonkowe, które rozpowszechniły się dopiero w XIX wieku.
Zegary kwarcowe
Pojawiły się w XX wieku. Wynalazł go niejaki Warren Marrison. Zegary kwarcowe cechują się niesamowitą dokładnością w porównaniu do zwykłego zegara mechanicznego.
Zegar kwarcowy działa na podstawie drgań kryształu kwarcu. Gdy się przez niego przepuści prąd elektryczny, to kryształ się wtedy kurczy lub rozciąga. Gdy się stworzy zamknięty obwód sprzężenia zwrotnego, to dochodzi do konkretnej ilości drgań - impulsów elektrycznych w ciągu jakiejś jednostki czasu.
W 1932 roku zegary kwarcowe były wystarczająco dokładne by zmierzyć niewielkie tygodniowe zmiany w tempie obrotu Ziemi (obrót Ziemi wokół własnej osi nie jest idealnie stały - są bardzo maleńkie spowolnienia i przyspieszenia - powodem tego jest wpływ grawitacji Księżyca oraz innych planet).
 |
| Współczesny zegarek kwarcowy. Źródło: wikipedia.org |
Zegary atomowe
Pojawiły się w drugiej połowie XX wieku. Początkowo, gdy zbudowano pierwszy taki zegar, był on mniej dokładny od ówczesnych zegarów kwarcowych (pierwszy zegar atomowy zbudowano w 1949 roku i był urządzeniem wykorzystującym linię spektralną amoniaku). Współczesne zegary atomowe osiągają dokładność do nawet 0,0000000007 sekundy na rok.
Jednostki - oficjalna definicja sekundy.
Do mierzenia czasu musi być jakiś odnośnik. Jak jeden kryształ zadrga tyle razy, a drugi tyle razy to nie będziemy wiedzieli który jest "dobry". Potrzebne są konkretne jednostki, na czymś się opierające.
Do roku 1967 definicją sekundy było: 1 sekunda jest to 1/315569259747 część roku tropikalnego A.D. 1900.
Od 1967 roku po dziś dzień definicja sekundy bazuje na fizyce atomowej i brzmi tak:
1 sekunda to częstotliwość nadsubtelnego przejścia w atomach izotopu cezu (133) w niezaburzonym stanie podstawowym, wynoszącej 9 192 631 770, wyrażonej w jednostce Hz, która jest równa s-1.
Definicja jest lepsza od poprzedniej, gdyż jest oparta na prawach fizyki.
2.2 Po co mierzymy czas?
Do czego potrzebne było wyznaczenie dokładnego czasu? Do wyznaczenia czasu - ale nie tylko. Za pomocą czasu, możemy wyznaczyć długość geograficzną i nasze położenie na globie. Szczególną rolę odgrywa ona przy nawigacji morskiej.
Mamy dwie wartości do wyznaczania miejsca na Ziemi:
- szerokość geograficzną - kątowa odległość od płaszczyzny równika,
- długość geograficzną - kątowa odległość od linii przebiegających od bieguna północnego do południowego - tzw. południków.
W przypadku szerokości geograficznej jest to bardzo proste. Równik jest prostopadły do osi obrotu Ziemi - oznacza to, że jest on tylko jeden. Wyznaczenie szerokości geograficznej jest zatem proste i można ją wyznaczyć nawet mając zwykły patyk (na podstawie cienia rzucanego przez Słońce i porę roku - najłatwiej jest podczas równonocy i przesileń). Na pewno każdy z was pamięta z podstawówki takie ćwiczenie "na przyrce" :) Ja miałem takie doświadczenie w 6 klasie szkoły podstawowej.
W przypadku długości geograficznej nie jest już tak łatwo. Takich południków może być mnóstwo. Są równoważne. Nie ma żadnego punktu odniesienia. Potrzebujemy pewnej umowy, gdzie ma przebiegać południk zerowy i od którego południka rozpocząć odliczanie.
3. Południk zerowy.
Między Anglią i Francją w XIX wieku trwał spór o to, w którym miejscu wyznaczyć południk zerowy. Anglia dzięki temu, że zdobyła przewagę na morzach ostatecznie zgodzono się i ustalono w 1884 roku że południk zerowy będzie przecinał Obserwatorium Astronomiczne w Greenwich.
Godzina w różnych miejscach na Ziemi jest różna.
Napotykamy się jeszcze na jeden problem. Mianowicie to, że na różnych miejscach na Ziemi, czas astronomiczny jest różny. Po jednej stronie półkuli jest dzień, po drugiej noc.
Czas astronomiczny jest to czas, który wyznaczany jest na podstawie pozycji Słońca na niebie (górowanie Słońca wypada w południe, w godz. 12:00).
Przykładowo: W Londynie jest 12:00. W tym samym czasie np. w Moskwie jest 3 godziny później np. 15:00 (bo jest dość daleko na wschód), a w np. Nowym Jorku - 5 godzin wcześniej, np. 7:00.
Może nam to pomóc w wyznaczeniu długości geograficznej. Dzięki czasowi możemy obliczyć długość geograficzną. Jak to zrobić? Jak tego dokonywano w XIX wieku jak nie było GPSów, radia, telefonii itp.?
Wyznaczenie długości geograficznej za pomocą zegarka.
Na dachu Obserwatorium Astronomicznego w Greenwich, był taki jakby maszt i kula, zwaną kulą czasu (Time Ball).
 |
| "Kula czasu" na dachu obserwatorium w Greenwich. Źródło: wikipedia.org |
Gdy popłynęli przykładowo do Europy, np. do Włoch, to minął jakiś czas, np. kilka tygodni. Mając nastawiony w Greenwich zegar (zakładając, że jest wystarczająco dokładny) i znając czas lokalny, czyli taki jaki jest tam we Włoszech, to możemy obliczyć długość geograficzną.
Jeśli tam góruje Słońce, to jest tam godzina 12:00. Wiedząc jaka jest w tym czasie godzina w Londynie (czyli ustawiony zegarek na statku) to też możemy wyliczyć długość geograficzną.
15 stopni łuku przypada 1 godzinie czasu zegarowego.
1 stopień to 4 minuty zegarowe,
1 minuta zegarowa to 15 minut łuku.
Jest np. 1 godzina różnicy między zegarem ustawionym w Greenwich, a zegarem lokalnym. Więc długość geograficzna wyniesie tam 15°E, bo 15 stopni od ustalonego południka zerowego, który przebiega przez Londyn, a dokładnie przez Greenwich.
4. Strefy czasowe.
Przez długi czas takie mierzenie czasu było dobre. Sprawdzało się. Do czasu. Wraz z rozwojem ludzkości rozwinął się przemysł motoryzacyjny - samochody, pociągi, a także komunikacja radiowa czy telefoniczna. Tutaj pojawiał się problem. Bo już między miastami (na wschód lub na zachód) na terenie danego państwa był już inny czas astronomiczny (różnica np. kilku czy parędziesięciu minut), bo czas, który opierał się na położeniu Słońca na niebie, to właśnie czas astronomiczny.
W miejscowościach położonych na tym samym południku jest ten sam czas. Czas się zmienia tylko na wschód bądź zachód.
Nie dało się zrobić chociażby rozkładu jazdy jak na każdej stacji jest inna godzina, czy np. komunikować się między innymi miejscami na świecie.
Niektórzy sobie pewnie pomyślą, że najprościej by było, gdyby na całym globie była ta sama godzina. Żadnych problemów z czasem. Ale mimo tego jest to bardzo niepraktyczne. Godzina np. 14:00 w jednym miejscu będzie oznaczać np. porę obiadową, a gdzie indziej poranek, a gdzie indziej będzie to środek nocy. Dobrze by było, gdyby np. ta 8:00 rano kojarzyła się z porankiem, a np. 18:00 czy 20:00 z wieczorem. Mamy jednak potrzebę sprzężenia pory zegarowej z porą dnia.
Jest znacznie prostszy sposób - strefy czasowe. Można się umówić, że na terenie danego kraju jest ta sama godzina. Czas astronomiczny wiadomo, że jest nieco inny, jednak dużej różnicy w większości przypadków nie ma.
Pierwsze propozycje o wprowadzeniu takich stref czasowych pochodzą od włoskiego matematyka Quirico Filopanti w jego książce pt. "Miranda!" z 1858 roku. Napisane jest tam o 24-godzinnym systemie, gdzie środek miał przecinać Rzym. Jednak jego pomysł nie wzbudził takiego zainteresowania.
Prawdziwą rewolucję w pomiarze czasu zapoczątkował szkocki inżynier i wynalazca, który w wieku 17 lat wyemigrował do Kanady (wówczas należała ona do Wielkiej Brytanii) - Sandford Fleming. Gdy w roku 1878 spóźnił się na pociąg - przyszedł mu do głowy pomysł wprowadzenia stref czasowych i jednego czasu na całym terenie danego państwa.
 |
| Sandford Fleming |
W 1884 roku ostatecznie taki system został ustanowiony na całym świecie.
Pojawiły się strefy czasowe - np. 0, +1 +2 +3 +4 (na wschód) i -1, -2, -3, -4 (na zachód).
Południki jednak nie zgadzają się z granicami państw i lądami. Równe ustawienie (+15 stopni +30, +45 itp.) się nie sprawdzi. Dlatego strefy czasowe ustanowione w danych państwach są umowne i dopasowano je mniej więcej do granic państw.
 |
| Mapa stref czasowych. Każda strefa czasowa oddzielona jest osobnym kolorem. |
Przykładowo: My znajdujemy się w strefie czasowej (UTC +1) zwanej również czasem środkowoeuropejskim. W tej strefie również są inne kraje, nawet te, które są na terenie południka 0° - 15°, np. Niemcy, Francja czy Hiszpania. W Paryżu, W Lionie, w Barcelonie czy Warszawie jest ustanowiona ta sama godzina, np. 12:00. Jest 12:00 w Warszawie, to w Madrycie też jest 12:00. (Mimo, że czas astronomiczny to pewnie ok. 1,5 godziny różnicy)
Państwa bardzo rozciągnięte długością geograficzną, np. Rosja czy USA mają wiele stref czasowych. Rosja ma aż jedenaście, a USA - cztery. Ale np. Chiny (które są rozciągnięte południkowo podobnie jak USA) mają na całym terenie Chińskiej Republiki Ludowej jeden czas.
Niektóre kraje (takie jak Iran, Indie czy Australia) mają alternatywnie ustawiony czas. Zamiast podziałów co godzinę, mają np. strefę 4 i 1/2 czy 6 i 3/4.
System GMT (Greenwich Mean Time)
GMT (ang. Greenwich Mean Time), zwany również Czasem Uniwersalnym (UT) to właśnie system wymyślony przez wspomnianego wcześniej Sandforda Fleminga i wprowadzony w 1884 roku.
Jest to czas, który jest wyznaczony na południku zerowym, który przechodzi przez obserwatorium w Greenwich. Jeżeli ktoś słyszał bądź widział np. "Jest godzina 9:00 GMT" - to oznacza to - że jest to uśredniony czas astronomiczny, jaki jest w Greenwich na południku zerowym.
Co to oznacza, że jest uśredniony?
Jak wspomniałem wcześniej - ruch Ziemi wokół własnej osi - nie jest stały. Są delikatne wahania w prędkości obrotowej - spowodowany głównie przez wpływ grawitacji Księżyca oraz jego położenia. Więc tamtejszy czas astronomiczny - z równymi sekundami/minutami/godzinami jest w ten sposób uśredniony.
System czasowy GMT - obowiązywał na całym świecie do 1972 roku.
System UTC (Universal Time Coordinated)
Od 1972 roku po dziś dzień - obowiązuje nowszy, dokładniejszy system - system UTC (ang. Uniwersal Time Coordinated) - czas uniwersalny skoordynowany. Uwzględnia on już nieregularność ruchu obrotowego Ziemi. W jaki sposób jest ten czas mierzony?
Jak wiadomo nie każdy zegar jest idealny. W przypadku produkcji czasu UTC - jest to czas wyrównany przez ok. 230 zegarów ok. 50 różnych laboratoriach i stacji badawczych na świecie.
W większości są to zegary atomowe różnych typów. Czas wyznaczany głównie przez cezowe zegary atomowe, umiejscowione na całym świecie to tzw. TAI (fr. Temps Atomique International) - Międzynarodowy Czas Atomowy - jest on podstawą do wymierzania czasu w standardzie UTC.
Oprócz atomowych jest też sporo zegarów kwarcowych, a nawet - kilka zegarów wahadłowych.
Pewnie zastanawiacie się po co są też takie zegary, jak zegary atomowe są najdokładniejsze?
 |
| Zegary pokazujące czas UTC i czas lokalny w Polsce (czas środkowoeuropejski letni) w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Warszawie. Źródło: wikipedia.org, autor: Adrian Grycuk |
Zegary atomowe mają jedną, dużą wadę. Ich żywotność jest ograniczona. Po ok. kilku czy kilkunastu miesiącach przestaje on dobrze działać i co jakiś czas trzeba taki zegar wyłączyć i ustawić na nowo.
Co jakiś czas do czasu UTC dodaje się bądź odejmuje tzw. sekundę przestępną - właśnie w celu skoordynowania nieregularności ruchu obrotowego - by wyznaczyć z dokładnością do 0,9 sekundy godzinę 12:00. Operację tę przeprowadza IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) - Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia.
Nowy południk zerowy - WGS 84
Obecnie południk zerowy jest w nieco innym miejscu niż dotychczas. Zmiana dokonana została dzięki rozwoju technologii satelitarnej. W 1984 roku Departament Obrony Stanów Zjednoczonych sporządził bardziej dokładną, globalną siatkę współrzędnych geograficznych - wzorowaną na dokładniejszym modelu Ziemi.
 |
| Budynek na południku zerowym w Greenwich, przez który została wyryta "linia" południka. Źródło: wikipedia.org, autor: ChrisO |
Projekt nosi nazwę WGS (World Geodetic System). Do nazwy dodano rocznik, w którym opracowano nową siatkę - i ten system nazywa się WGS 84 i obowiązuje do dzisiaj. Na tym systemie satelitarnym bazuje również współcześnie nawigacja GPS oraz np. Google Maps.
Współcześnie południk zerowy przebiega również przez Greenwich, jednak już nie przez tamtejsze Obserwatorium Astronomiczne.
 |
| Niebieski - kraje, przez które przechodzi południk zerowy. Czerwony - kraje, przez które przechodzi równik. |
5. Czas letni i czas zimowy - zmiany czasu.
Nie poruszyłem jeszcze jednej, ważnej kwestii - a mianowicie zmiany czasu - na letni (godzina do przodu) lub zimowy (godzina do tyłu). Skąd się to w ogóle wzięło?
Gdy przychodziła zima, dni były coraz krótsze i było rano coraz ciemniej. Najgorzej było w godzinach rannych, gdy trzeba było wstawać np. do pracy - czyli godz. 6:00 rano, 7:00 czy nawet 8:00. Gdy było ciemno - zmuszało to do włączania lamp czy świeczek.
O potrzebie zmian czasu (np. gdyby cofnąć zimą czas o godzinę - o godzinie 7:00 było by już widno, co nie zmuszałoby ludzi do włączania lampek (oszczędność prądu) czy zapalania świeczek) wspomniał już amerykański polityk, drukarz, pisarz i uczony - Benjamin Franklin w XVIII wieku.
 |
| Benjamin Franklin |
Poważnie temat zmiany czasu opisał Brytyjczyk William Willett w broszurce „Waste of Daylight”, wydanej w 1907 r. Jednak pomimo znacznego lobby w rządzie brytyjskim nie udało mu się przeforsować tego pomysłu.
I wojna światowa - zmiany czasu na letni.
Prekursorami we wprowadzeniu czasu letniego byli Niemcy w czasie I wojny światowej.
30 kwietnia 1916, w Rzeszy i sojuszniczych Austro-Węgrach oraz na okupowanych terenach Polski i Bałkanów, czas przesunięto o godzinę do przodu.
W 1917 roku zmiana nastąpiła w nocy z 15 na 16 kwietnia (z niedzieli na poniedziałek). Wskazówki przesuwano jednak z godziny drugiej na trzecią i czas letni obowiązywał do nocy z 16 na 17 września. Podobnie było w 1918 roku.
Niedługo później i Brytyjczycy zaadaptowali to w Wielkiej Brytanii.
19 marca 1918 Kongres Stanów Zjednoczonych wyjaśnił podział na strefy czasowe w USA i wprowadził na czas trwania wojny obowiązek stosowania czasu letniego w celu oszczędności paliwa służącego do produkcji prądu. Ponownie po przerwie w USA w 1966 Kongres uchwalił Uniform Time Act wprowadzając po raz pierwszy podczas pokoju możliwość korzystania z czasu letniego.
Czas letni stosowany jest w prawie siedemdziesięciu krajach na świecie (między innymi prawie we wszystkich państwach w Europie). Zmiany czasu w Europie nie przeprowadzają tylko Islandia, Rosja i Białoruś.
Podział czasu na letni i zimowy miał na celu nie tylko oszczędność prądu i innych zasobów, ale również dopasowanie czasu tak (pory wstawania itp.), by Słońce było nad horyzontem jak najdłużej.
Obecnie:
Czas letni (czas środkowo-europejski +2 (UTC +2)) - obowiązuje od ostatniej niedzieli marca, do ostatniej niedzieli października.
Czas zimowy (czas środkowo-europejski +1 (UTC +1)) - obowiązuje od ostatniej niedzieli października, do ostatniej niedzieli marca.
 |
| Niebieski - obszary gdzie jest wprowadzany czas letni. Pomarańczowy - obszary, na których był wprowadzany czas letni, ale obecnie to zaniechano. Czerwony - obszary, na których nigdy nie wprowadzano czasu letniego. Źródło: wikipedia.org |
6. Zniesienie zmian czasu przez Parlament Europejski.
26 marca 2019 r. odbyło się głosowanie w Parlamencie Europejskim odnośnie zniesienia zmian czasowych z letniego na zimowy. Najprawdopodobniej zostanie w naszym kraju czas letni, a zatem Zimą nie będziemy musieli przestawiać zegarków. Jakie skutki będą? Jak to wpłynie na nas? Jak wpłynie na np. astronomię? Bo tak naprawdę to czas zimowy jest najbardziej dokładny i bliższy czasowi astronomicznemu.
Gdy pozostanie czas letni:
Plusy:
+ późniejsze zachody Słońca (w zimie Słońce zajdzie godzinę dłużej przez co dłużej będzie widno)
+ dzięki temu będzie również bezpieczniej na drogach (bo dłużej będzie widno)
+ brak zamieszania spowodowanym zmianą czasu (np. rozkłady jazdy itp.)
Minusy:
- natomiast rano wschód również będzie godzinę później - więc do godziny ósmej będzie jeszcze ciemno.
- w lecie dalej będzie trzeba czekać do godziny 23:00 by się ściemniło na obserwacje astronomiczne)
Gdy pozostanie czas zimowy:
Plusy:
+ brak zamieszania spowodowanym zmianą czasu (np. rozkłady jazdy itp.),
+ w lecie będziemy mieć godzinę wcześniej ciemne niebo do obserwacji,
+ rano będzie wcześniej widno (w lecie widno zacznie się robić już o godz. 2:00-3:00).
- godzinę krótszy dzień w lecie (w zimie pozostanie to bez zmian),
- mniej bezpiecznie na drogach (szybciej się ciemni).
Jak widać ilość plusów i minusów jest równa. Tak naprawdę to nie ma żadnego znaczenia czy jest czas letni, czy zimowy - czy zegarki są ustawione godzinę do przodu czy do tyłu. To tylko i wyłącznie kwestia przyzwyczajenia.
Długość dnia i nocy, a także zmiany tych długości są cały czas takie same. Jedynie jest inna godzina na zegarku.
Jak się będzie ściemniać godzinę wcześniej - to powinniśmy wstać godzinę wcześniej.
Jak się będzie ściemniać godzinę później - to powinniśmy wstać godzinę później.
Zniesienie zmian czasu będzie korzystne np. dla urzędów, komunikacji (np. rozkłady jazdy). Nie będzie zamieszania i chaosu spowodowanym zmianą czasu.
Najprawdopodobniej pozostanie u nas czas letni (UTC +2). Dzięki temu zimą Słońce będzie zachodzić godzinę później (dzięki czemu na Morskim Oku będzie robić się ciemno godzinę później - mniej roboty dla TOPR'u :D)
7. Źródła:
-Wykład - Stanisław Bajtlik - Co to jest czas? : https://www.youtube.com/watch?v=BGE_kn1aM80
-wikipedia.org
Jeżeli wam się podobało to udostępniajcie, piszcie wasze propozycje w komentarzach o czym mógłbym napisać z astronomii i obserwacji astronomicznych. Zapraszam do dyskusji.
Zapraszam także do polubienia strony na Facebooku: facebook.com/mcastronomia
Bardzo fajny wpis. Pozdrawiam.
OdpowiedzUsuń