Пользователь
0,0
рейтинг
11 марта 2014 в 16:23

Хронометрирование на Марсе из песочницы

Проблема синхронизация часов и календаря на Земле и на Марсе встала достаточно остро, когда началась эпоха исследования Марса автоматами, поскольку было необходимо четко знать поток солнечной энергии на протяжении, как суток, так и года на Марсе. В этой статье я предлагаю рассмотреть существующие способы отсчета времени на Марсе.
Поскольку наклон оси вращения Марса к плоскости орбиты мало отличается от земного (23°26'21'' (Земля) и 25°11'24'' (Марс)), то он претерпевает схожие сезонные периоды, но поскольку эксцентриситет орбиты Марса существенно больше, то длительности периодов достаточно сильно отличаются. Также, если марсианские сутки близки по длительности к земным, то продолжительность года различна, что еще больше усиливает рассинхронизацию между календарями.

Сутки на Земле и Марсе

Сутки бывают двух видов – звездные (сидерические) сутки длительностью 23 ч 56 мин 4,09 с или 86164,09 секунд и средние солнечные сутки длительностью 24 часа или 86400 секунд. Они не равны друг другу потому, что за сутки, из-за орбитального движения Земли солнце смещается на фоне звезд. Средние солнечные сутки привязаны к «фиктивному Солнцу», поскольку скорость движения Земли по орбите, а значит и длительность истинных солнечных суток изменяются в течение года.
Для Марса соответствующие периоды составляют 24 ч 37 мин 22.66 с (88642,66 с) и 24 ч 39 мин 35.24 с (88775,24 с) соответственно. Как показывает простой расчет, длина звездных суток на Марсе на 2,9% больше чем на Земле, а длина солнечных суток на 2,7%.
По международному соглашению, для аппаратов, работающих на поверхности Марса, приняты т.н. «марсианские солнечные сутки» (Сол) разбитые на 24 «марсианских часа». Соответственно, эталон «марсианской секунды» на 2,7% длиннее земного. Это приводит к тому, что график работы операторов каждый день смещается на 40 минут, и они носят на руках специально разработанные часы с «марсианским временем». Существовали также и другие проекты марсианских часов. По одному из них предлагалось ввести на Марсе метрическое время, установив 10 часов в сутках, 100 минут в часе и 100 секунд в минуте, по другому – вводился укороченный 25-й час, длительностью 39 мин 35.24 с, но данные варианты были отклонены. Счет солов для космических аппаратов начинался с Sol 0 для миссий Viking, Mars Phoenix и MSL Curiosity и с Sol 1 для Mars Pathfinder, MER-A Spirit и MER-B Opportunity.
Нулевой меридиан Марса проходит через небольшой кратер Airy-0 который имеет координаты 5°06′59.99″ ю. ш. и 0°00′00″ в. д. На Марсе применяется планетоцентрический стандарт долготы, при котором долгота меняется от 0° до 360° в.д. Старый планетографический стандарт (0° до 360° з.д.) используется на плоских картах.
Координированное марсианское время (Coordinated Mars Time, MTC) является аналогом всемирного времени (Universal Time, UT). Оно определяется как среднее солнечное время на нулевом меридиане. Обозначение MTC может ввести в заблуждение о схожести со стандартом UTC, однако MTC не использует координационные високосные секунды, и наиболее близким земным аналогом MTC является стандарт UT1. Из-за большего эксцентриситета орбиты и другого наклона оси, разница между истинным солнечным временем (ИСВ/LTST) и средним солнечным временем (ССВ/LMST) изменяется в течение года гораздо сильнее, нежели на Земле. Если на Земле уравнение времени (УВ = ИСВ — ССВ) колеблется от «минус 14 мин 22 с» до «плюс 16 мин 23 с», то на Марсе эта разница составляет от «минус 50 мин» до «плюс 40 мин», что уже немало. В отечественной литературе чаще используется обратная разница (УВ = ССВ — ИСВ). Однако, нельзя путать солнечное время с поясным временем, которое связанно с солнечным лишь формально. Часовых поясов, в привычном для нас виде, на Марсе нет, и из шести марсоходов пять пользуются местным солнечным временем (LMST), а шестой (Mars Pathfinder) использует истинное солнечное время (LTST).
Стандарт MTC впервые появился в программе Mars24Sunclock, созданной институтом Годдарда, придя на смену стандарту AMT (Airy Mean Time), бывшему прямым аналогом устаревшего стандарта GMT. Стандарт AMT ни в одной из миссий не используется по причине его недостаточной точности. Однако теперь, когда существуют четкие и точные карты Марса, стандарт AMT снова может стать актуальным.
Для простоты астрономических расчетов на Земле применяется так называемая Юлианская дата (JD), где за нулевую точку принято 1 января 4713 г до н. э юлианского календаря или, что то же самое, 24 ноября 4714 г. до н. э. григорианского календаря. Первый день имел номер 0. Даты сменяются в полдень. Аналогичная дата для Марса установлена в сол совпадающий с 29 декабря 1873 года (дата рождения астронома Карла Отто Лампланда, первым осуществившего астрофотосъемку приснопамятных каналов на Марсе). Другими вариантами отсчета были 1608 г (изобретение телескопа) и весеннее равноденствие 11 апреля 1955 года.

Год на Земле и Марсе

Как выше было сделано с понятием суток определимся с тем, что такое год.
Звездный (сидерический) год — период орбитального движения вокруг Солнца относительно «неподвижных звёзд»;
Тропический год – период полной смены времен года или период в течении которого долгота Солнца изменяется на 360° ровно.
Эти периоды различаются меду собой примерно на 20 минут (тропический меньше звездного), что обусловлено гироскопическими процессами, в частности прецессией и нутацией оси планет.
Длительность одного оборота Марса вокруг Солнца составляет около 686,98 солнечных земных суток, или 668,59 солов. Поскольку эксцентриситет орбиты Марса (0,0934) существенно больше земного (0,0167), если принять за сезон периоды между равноденствиями и солнцестояниями, то самым длинным сезоном для северного полушария будет весна (193 сола), а самым коротким осень (142 сола).
Также как и на Земле на Марсе лучшим вариантом для основы календаря будет тропический год, так как циклы прецессии на Земле и на Марсе достаточно велики, для того, чтобы ими можно было пренебречь на относительно коротких промежутках времени. Длина тропического года зависит от выбора начальной точки. Обычно в качестве такой точки выбирают равноденствия или солнцестояния. Но обычно, для григорианского календаря используется весеннее равноденствие. Так как орбита Марса боле вытянута, то различия в длительности тропического года немного больше чем на Земле. Если для Земли отличается третий знак после запятой (от 365,2416 сут до 365,2427 сут), то для Марса существенно отличается уже второй знак (от 668.5880 сол до 668.5958 сол).

Календарь

В обыденной жизни мы используем григорианский календарь, а не юлианские даты, по той простой причине, что циклический календарь гораздо более удобен и полезен в быту. И поэтому будущим марсианским колониям потребуется именно циклический календарь. Одной из основных проблем любого календаря является интеркаляция високосов. Она связана с тем, что в году не целое число суток и если не учитывать поправку на это, то очень быстро набегает ошибка между гражданским календарем и тропическим годом. Одним из вариантов такого календаря является дарийский календарь созданный аэрокосмическим инженером и политологом Томасом Гангале. Данный календарь состоит из 24 месяцев по 27-28 дней и основан на десятилетнем цикле с шестью високосными годами по 669 дней и четырьмя обычными по 668. Данный календарь дает ошибку в 1 сол за 100 лет и вполне подходит для текущих целей. Однако на текущий момент ни этот календарь, ни какой-либо другой не используется, счет идет только на солы.
Андрей Евдокимов @kraamis
карма
27,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (25)

  • +2
    Прочтя заголовок, ожидал увидеть про атомные часы, встроенные в марсианские аппараты.

    Используется ли марсианское время(измеряемое в «марсианских секундах») в программах космических аппаратов, или внутри них тикают земные секунды/микросекунды?
    • +7
      Там тикают марсианские секунды. Собственно вся «экосистема» аппарат+операторы+прочие_причастные живут по марсианскому времени.

      Одна семья инженеров NASA решила попробовать на несколько месяцев полностью перевести свои биологические часы на марсианское время, и начали жить забив на солнце за окном, каждый день сдвигаясь на 40 минут земного. Со всеми вытекающими — дневной сон и завтрак вечером. В итоге получилось что перестроиться туда и обратно вполне реально, без каких-либо проблем. Хотел про это тоже написать, но решил что лулзы тут как-то не строку будут.
      • +3
        а мне бы было интересно почитать про такой опыт, напишите!
        • +4
          Ок, напишу отдельный пост. Но не очень быстро, ибо вся информация, в том числе и блог его сына, на буржуйском языке, а я с ним не очень дружен.

          Вот заметка FoxNews из которой я про это узнал, а глубже пока не сильно копал.
      • 0
        и мне бы было интересно почитать про такой опыт, напишите! [2]
  • 0
    Википедия: «Секу́нда (русское обозначение: с; международное: s) — единица измерения времени, одна из основных единиц Международной системы единиц (СИ) и системы СГС.
    Представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями. Это определение было принято в 1967 году (уточнение относительно температуры и состояния покоя появилось в 1997 году).»

    В этой связи непонятно, что там за трудности с синхронизацией и при чем тут обращение планет вокруг Солнца и своей оси. Если на Марсе в настоящее время работают в основном научные миссии — то непонятно, почему бы им не пользоваться стандартной системной секундой, по отношению к которой календарь был бы вторичен.

    Вот что реально может повлиять на синхронизацию часов — это релятивистское замедление времени в гравитационных полях Земли и Марса. Я слышал, что это замедление учитывается при работе систем глобальной навигации в соответствии с общей теорией относительности. Но и тут можно принять марсианские поправки — и иметь хорошую точность синхронизации часов.
    • 0
      >почему бы им не пользоваться стандартной системной секундой,

      В основном потому, что системы и приборы на них испытывались на Земле, и гораздо проще изменить длину секунды, чем объяснять машине про 25й укороченный час.

      >релятивистское замедление времени в гравитационных полях Земли и Марса.

      Это верно лишь для системы глобального позиционирования и только. А в сабжевом случае, из-за разницы силы тяжести на Земле и Марсе, оно оказывает влияние на 1000-какую-то цифру после запятой и им можно пренебречь, тем более что погрешность приборов гораздо выше. Тем более что, систем позиционирования вокруг Марса пока нет.
      • +1
        Эмм… на марсе облаков нет, как следствие ~50% времени допустима навигация по звездам, так что проблемка позиционирования слегка надумана.
        Система передергивания секунды выглядит как типичный костыль. Для каждой планеты свою секунду делать чтоли будут? или кроме марса больше никуда не полетят? при определении скорости на марсе они какую секунду используют? марсианскую или земную?
        • 0
          По навигацию по звездам разговор отдельный, но на Марсе нет никакой, а какая будет неизвестно. Человек спросил фигню — я попытался внятно ответить.

          Костыль или не костыль — вопрос сложный, тем более что это временное решение. Как это будет решаться для колонистов — вопрос не сегодняшнего дня и он сегодня не ставится. Для зондов и роверов на других обьектах — аналогично.

          Скорость марсохода — 3,8 см в секунду (137 метров в час) и поправка в 2,7% к длине секунды не решает ничего.
          • 0
            Я к другому. Измерительные физ приборы интегрированы и как следствие используют марсианскую секунду?
            • 0
              Да, полностью все привязано к солнечному дню на Марсе. Это опять же для максимального упрощения программного обеспечения и максимально переноса всех узких моментов на Землю.
              • +1
                Ох костыли прут… :(
                нет чтоб сразу написать софт ориентированный на динамическое изменение длины светового дня.
                • 0
                  Понимаете, любые усложнения сделанные для удобства могут привести к проблемам, решаемым только волшебным ресетом. На Марсе его не сделать никак, поэтому все сложные конструкции в софте марсоходов — запрещены, даже рекурсия запрещена. Так что это не баг, это фича :)

                  • 0
                    Я описываю софтварь а не хардварь… Да и отсутствие обратного преобразования из марсианского в земное меня веселит… Пойщу чтоли… А то прям марсианское время в ХЭШ пнревращается какойто.
                    • 0
                      А софт и хард — это инь и янь, ну и хрень местами :)

                      А смысл в таком преобразовании? Данные и без него можно интерпретировать. Да, может это и костыли, но пока это надежно работает — действует золотой принцип «работает — не трогай».
                      • 0
                        Устройства измерения скорее всего калибровались под земную секунду. Если они не имеют встроенный нормальный таймер — они херню намеряют…
                        • 0
                          А что мешает провести перекалибровку под марсианские секунды? Все это делалось не за один день и не Васей-слесарем. Явно было перебрано множество вариантов работы систем и если остановились на таком — на это были основания.
      • 0
        На Земле в качестве эталона секунды приняты именно атомные часы, а не какая-то производная от суточного вращения Земли потому, что атомные часы обладают более высокой стабильностью, в отличие от вращения планеты, которое подвержено возмущениям. Високосные секунды поэтому вводятся не по заранее составленному плану, а динамически, по мере необходимости. Если есть необходимость точно измерять время марсианских суток или лет — то это можно делать относительно атомных часов и далее использовать как угодно.

        Но секунда — это системная единица, для которой установлен эталон даже не в виде конкретного образца, а в виде воспроизводимого физического явления. Более того, единицы измерения времени обычно являются основными в любой системе единиц, и от них в свою очередь зависят единицы измерения других физических величин, таких, как сила и работа, электромагнитные величины и т.д. Ввести вместо стандартной секунды (см. выше) какую-то особую марсианскую — это значит поменять значение скорости света в вакууме, постоянной Планка и других фундаментальных констант. При всех физических расчетах придется делать поправки. Также высока вероятность «забыть» сделать поправку в каком-то конкретном месте. По-моему поддерживать работу такой системы (да еще и сравнимость результатов измерений с земными) значительно сложнее, чем считать високосные секунды в марсианском календаре.
        • 0
          Так анализ делается на Земле. Приборы делают лишь замеры и фотоснимки, и нужды создавать новый набор всех величин нет.

          Я где-то слышал сравнение, и оно, ИМХО, справедливо, что весь объем работы сделанный марсоходами за всю их историю, человек на Марсе сделал бы за полдня.
    • 0
      Как я понял (пусть поправят, если ошибаюсь), основная проблема не в синхронизации часов между землей и марсом, а в том, чтобы упростить или просто сделать более наглядными расчеты тамошних суток и лет:

      >… необходимо четко знать поток солнечной энергии на протяжении, как суток, так и года на Марсе.
      • +1
        Абсолютно так. Я где-то читал список требований к программному обеспечению марсоходов, так там рефреном повторяется — если можно что-то упростить — упрощайте, ибо ресет не сделать.
      • 0
        Собственно из-за запаздывания сигнала управления в реальном времени нет и в проекте. Задается программа действий и марсоход ее выполняет, с той или иной степень самостоятельности.
  • +1
    От себя добавлю несколько ссылок:
    Mars24 — приложение, отображающее марсианское время (AMT, локальное Curiosity, локальное Opportunity и т.д.)
    Вот тут — описание алгоритма, для конвертирования земного времени в марсианское.

    В своё время хотел написать корвертер времени Земля<>Марс, но по вышеупомянутому алгоритму можно только совершать преобразования дат Земля->Марс, но никак не наоборот, так что, не найдя информации об обратном преобразовании, забросил эту идею.
    • +1
      Да, я про нее писал

      Стандарт MTC впервые появился в программе Mars24Sunclock, созданной институтом Годдарда


      только ссылку забыл привести. Подробно про эту прогу писать не стал ибо речь была не о ней.
  • 0
    Это приводит к тому, что график работы операторов каждый день смещается на 40 минут, и они носят на руках специально разработанные часы с «марсианским временем».


    Оказывается, для Pebble есть циферблат «Mars Watch»:

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.