Praktyczny pomiar czasu wykonuje się na podstawie obserwacji zjawisk przebiegających okresowo. Odstępy czasu wyrażone są liczbą zawartych w nich okresów przyjętych za wzorzec czasu zjawiska.

Do połowy XX wieku podstawą do pomiaru czasu był ruch obrotowy Ziemi – czas obrotowy. Za podstawową jednostkę czasu obrotowego przyjęto sekundę średniego czasu słonecznego, zdefiniowaną jako 1/86400 część średniej doby słonecznej. Skala czasu obrotowego nie jest jednostajna.

W 1954 roku na X Generalnej Konferencji Miar i Wag przyjęto bardziej jednostajną astronomiczną skalę czasu – czas newtonowski, oparty na ruchu orbitalnym Ziemi dookoła Słońca. Czas ten nazwano czasem efemerydalnym (ET) a za jego jednostkę wynikającą z długości okresu obiegu Ziemi wokół Słońca na epokę 1900.0 przyjęto sekundę efemerydalną.

Matematyczny model pozornego ruchu Słońca na epokę 1900.0 został opracowany w Tablicach Słońca Newcomba na podstawie obserwacji astronomicznych z XVIII i XIX wieku.

1. Międzynarodowy czas atomowy (TAI lub IAT – Temps Atomique International lub International Atomic Time) W 1971 roku, na XIV Generalnej Konferencji Miar i Wag, za podstawę pomiaru czasu na Ziemi przyjęto skalę międzynarodowego czasu atomowego (TAI). TAI jest czasem opartym na na wzorcu atomowym i odmierzanym przez zsynchronizowane zegary atomowe rozmieszczone w laboratoriach na całym świecie. Skala TAI jest wypadkową wskazań tych zegarów. Wzorce atomowe wykorzystują zjawisko przejść kwantowych między poziomami energetycznymi atomów lub cząstek.

Sekundę czasu atomowego zdefiniowano na XIII Generalnej Konferencji Miar i Wag w 1967 roku. Sekundę TAI definiuje się „trwaniem 9 192 631 770 okresów odpowiadających rezonansowej częstotliwości przejścia pomiędzy dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego pierwiastka cezu 133”

Czas atomowy został wyskalowany do czasu astronomicznego efemerydalnego na epokę 1900.0. Tak więc interwał sekundy TAI jest równy sekundzie efemerydalnej.

1. Czas GPS (GPS Time)

Czas GPS jest czasem atomowym używanym w systemie globalnej nawigacji satelitarnej GPS. Podstawą skali czasu GPS są atomowe zegary umieszczone na pokładach satelitów GPS, zegary atomowe zlokalizowane w ośrodkach sterowania systemem GPS oraz zegary US Naval Observatory. Skala czasu GPS jest zbliżona do skali czasu TAI i zsynchronizowana ze skalą UTC na epokę 1980 styczeń 6^d0^h UTC. Związek pomiędzy tymi skalami czasu jest następujący: TAI – GPS Time = 19^s + C0

19^s – stała różnica między TAI i UTC na epokę1980 styczeń 6^d0^h UTC,

C0 – zmienna w czasie poprawka rzędu 10ns wynikająca z zastosowania różnych zegarów w obu systemach czasu.

1. Czas ziemski (TT – Terrestrial Time)

Czas ziemski jest skalą czasu przeznaczoną do praktycznego odmierzania czasu na Ziemi, jako czas odniesienia dla pozornych, geocentrycznych efemeryd.

TT został zatwierdzony przez XXI Zgromadzenie Generalne Międzynarodowe Unii Astronomicznej (IAU) w 1991 roku, w Buenos Aires.

Związek pomiędzy międzynarodowym czasem atomowym, a czasem ziemskim jest następujący:

TT – TAI = 32.184^S

Czas ziemski jest idealną formą TAI (skala czasu TAI obarczona jest wpływem błędów wynikających z niedoskonałości zegarów atomowych) uwzględniającą przesunięcie 32.184^S.

1. Czas współrzędnych geocentrycznych (TCG – Geocentric Coordinate Time)

Czas współrzędnych geocentrycznych jest czasem w czterowymiarowej czasoprzestrzeni – Niebieskim Geocentrycznym Systemie Odniesienia (GCRS – Geocentric Celestial Reference System), który porusza się w przestrzeni wraz z ruchem orbitalnym Ziemi wokół barycentrum układu słonecznego, przy czym kierunek osi tego układu pozostaje niezmienny do systemu inercjalnego.

Czas TCG został zdefiniowany na XXIV Zgromadzeniu Generalnym IAU w 2000 roku, w Manchesterze.

Relacje pomiędzy czasem współrzędnych geocentrycznym a czasem ziemskim są następujące:

TCG – TT = L_G * (JD – 2 443 144.5) * 86 400

L_G = 6.969 290 134 * 10^–10 – stała astronomiczna,

JD – data juliańska.

1. Czas współrzędnych barycentrycznych (TCB – Barycentric Coordinate Time)

Czas współrzędnych barycentrycznych jest czasem czterowymiarowego Niebieskiego Barycentrycznym Systemu Odniesienia (BCRS – Barycentric Celestial Reference System), który przyjmuje się jako układ inercjalny.

Czas TCG został zdefiniowany na XXIV Zgromadzeniu Generalnym IAU w 2000 roku, w Manchesterze.

Relacje pomiędzy TCB i TCG są następujące:

TCB - TCG = L_C*(JD - 2 443 144.5) *86 400 + c^–2 v_e(x - x_e) + P

L_C = 1.480 826 867 41 * 10^–10 – stała astronomiczna,

x_e,v_e – wektory pozycji barycentrycznej i prędkości środka Ziemi,

x – wektor barycentrycznej pozycji obserwatora,

P – wyrazy okresowe, o łącznej amplitudzie mniejszej od 1.6 ms.

1. Czas słoneczny (Solar Time)

Czas słoneczny może być prawdziwy lub średni.

Czas słoneczny prawdziwy odmierza się geocentrycznym kątem godzinnym środka tarczy słonecznej, zwiększonym o 12^h. Czas ten można wyznaczyć bezpośrednio z obserwacji Słońca.

Czas słoneczny średni odmierza się kątem godzinnym tzw. Słońca średniego, tj. punktu na równiku o rektascensji równej średniej długości ekliptycznej Słońca prawdziwego, również zwiększonym o 12^h. Czas ten jest zbliżony do jednostajnego i jest stosowany w obliczeniach astronomicznych.

Czas słoneczny, jako czas obrotowy, może być miejscowy – odniesionym do południka miejscowego lub Greenwich – odniesionym do południka Greenwich (przyjętym jako południk zerowy w 1884 roku na Międzynarodowej Konferencji w Waszyngtonie). Czas słoneczny Greenwich różni się od czasu słonecznego miejscowego o długość geograficzną λ. Z zależności pomiędzy czasem słonecznym prawdziwym a średnim wynika równanie czasu:

E = czas słoneczny prawdziwy – czas słoneczny średni.

1. Czas uniwersalny (UT – Universal Time)

Od dnia 1 stycznia 1925 roku średni czas słoneczny Greenwich (GMT – Greenwich Mean Time) został zastąpiony czasem uniwersalnym.

Czas uniwersalny to średni czas słoneczny południka Greenwich. Rozróżnia się następujące systemy czasu uniwersalnego:

• UT0 – czas uniwersalny prawdziwy,

• UT1 – czas uniwersalny średni,

• UT2 – czas uniwersalny quasi-jednostajny.

Zależności pomiędzy systemami czasu uniwersalnego są następujące:

UT1 = UT0 + Δλ

UT2 = UT0 + Δλ + ΔT_S = UT1 + ΔT_S

Δλ – poprawka ze względu na ruchy bieguna,

ΔT_S – popr. ze względu na sezonową nieregularność ruchu obrotowego Ziemi.

1. Czas uniwersalny prawdziwy (UT0)

Czas uniwersalny prawdziwy UT0, jest to wyznaczany bezpośrednio (po uwzględnieniu równania czasu) z obserwacji astronomicznych średni czas słoneczny chwilowego południka Greenwich, od którego odmierza się długości geograficzne. Płaszczyzna chwilowego południka Greenwich określona jest przez dwa kierunki: kierunek linii pionu w Greenwich oraz kierunek równoległy do chwilowej osi obrotu Ziemi, która łączy chwilowe bieguny geograficzne.

Prawdziwy czas uniwersalny można uważać za kątową miarę rzeczywistego obrotu Ziemi wokół chwilowej osi.

7.2. Czas uniwersalny średni (UT1)

Czas uniwersalny średni UT1, jest to średni czas słoneczny średniego południka Greenwich, odniesionego do średniej osi obrotu Ziemi.

Średni czas uniwersalny można uważać za kątową miarę rzeczywistego obrotu Ziemi wokół średniej osi obrotu, która łączy średnie bieguny geograficzne.

Średni czas uniwersalny, w którym zostały uwzględnione okresowe zmiany wywołane strefową składową pływów oznacza się:

• UT1R – o okresowości 3 – 35 dób,

• UT1S – o okresowości 5 dób – 18.6 lat,

• UT1D – o okresowości do 1 doby.

7.3. Czas uniwersalny quasi-jednostajny (UT2)

Czas uniwersalny quasi-jednostajny UT2, jest to średni czas słoneczny średniego południka Greenwich uwolniony od sezonowych nieregularności ruchu obrotowego Ziemi.

Quasi-jednostajny czas uniwersalny można uważać za kątową miarę uśrednionego obrotu Ziemi wokół średniej osi obrotu, która łączy średnie bieguny geograficzne.

1. Czas gwiazdowy (Sidereal Time)

Wyróżniamy czas gwiazdowy:

• prawdziwy (s_v),

• quasi-prawdziwy (s_q),

• średni (s).

Czas gwiazdowy definiowany jest ruchem punktu równonocy wiosennej:

• prawdziwy p.r.w. jest to punkt przecięcia na sferze niebieskiej ekliptyki z prawdziwym równikiem,

• quasi-prawdziwy p.r.w. jest to punkt przecięcia na sferze niebieskiej ekliptyki z tzw. quasi-prawdziwym równikiem, którego położenie zależało od precesji i nutacji długookresowej (ΔΨ),

• średni p.r.w. jest to punkt przecięcia na sferze niebieskiej ekliptyki z tzw. średnim równikiem, którego położenie w przestrzeni podlega zmianom tylko pod wpływem precesji księżycowo-słonecznej.

Zależności między rodzajami czasu gwiazdowego są następujące:

s_q = s + ΔΨ cos ε,

s_v = s + (ΔΨ + dΨ) cos ε

ΔΨ cos ε – nutacja długookresowa p.r.w. na równiku w rektascensji,

dΨ cos ε – nutacja krótkookresowa p.r.w. na równiku w rektascensji,

ε – nachylenie ekliptyki do równika.

Czas gwiazdowy Greenwich różni się od czasu gwiazdowego miejscowego o długość geograficzną λ:

czas gwiazdowy miejscowy = czas gwiazdowy Greenwich + λ.

Czas gwiazdowy prawdziwy jest to czas, który można wyznaczyć bezpośrednio z obserwacji gwiazd. Czas gwiazdowy średni jest zbliżony do czasu jednostajnego, stosowany w obliczeniach astronomicznych.

1. Czas uniwersalny koordynowany (UTC – Universal Time Coordinated)

Czas uniwersalny koordynowany jest najbardziej zbliżony do czasu słonecznego średniego na południku Greenwich. Od 1964 roku stanowi podstawę czasu cywilnego.

Wskazania UTC mogą odbiegać mniej niż 1 sekundę od uniwersalnego średniego UT1 i różnić się od jednoczesnych wskazań TAI tylko o całkowitą liczbę sekund.

Zmiany zapobiegające większemu od 1 sekundy oddalenia czasu UTC od UT1, dokonywane są poprzez dodanie sekundy przestępnej 31 grudnia lub 30 czerwca.

1. Zależności pomiędzy skalami czasu