第1章 上午会遇到的科学

Q-01 为什么家中的电波表能够准确显示时间？

定期接收标准电波

在日本，有两处可以发射标准电波（电波表所依赖的标准）的场所。一处是1999年开始投入使用的大鹰鸟谷山标准电波发射站（40千赫，位于福岛县）。随后，为了向西日本提供持续稳定的信号传输，以及作为备用信号发射站，羽金山标准电波发射站（60千赫，位于佐贺县）于2001年开始对外发射信号。

在建设信号发射站时，之所以会设置40千赫及60千赫两种不同的频率，是为了避免相同频率的电波之间产生干扰而引起误差。电波表正是通过每天多次接收由这两个发射站所发出的电波，来调整自身时间的。

铯原子钟是一种精准度非常高的计时工具，它能确保1亿年仅有1秒的误差。电波发射站发射的电波就是以铯原子钟显示的时间为基准的。在发射站发出的标准电波中包含时、分、日、年（公元年份的后两位）、星期、闰秒等信息。电波表通过内置的无线电接收系统接收标准电波，经处理转换为时间信息，再对表盘指针与日历进行自动校准后，就可以保持自身所显示的时间与标准时间同步了。

无线电长波的利用使得电波传递范围更广

所谓长波（Low Frequency，LF），是指频率在30～300千赫，波长为1～10千米的电波。电波手表使用的一般是频率为40千赫及60千赫的长波。顺便提一句，广播电台一般采用频率为300千赫～3兆赫的中波，它的波长较长波要短。对于电波来说，波长越长，受到建筑、地形的影响就会越小，但在钢筋混凝土浇筑的大楼中信号会有所减弱。另外，手机、电脑等电子设备附近也可能会出现信号受到干扰的情况。

图1 日本两处电波发射站

虽然仅福岛发射站就几乎覆盖日本全国，但2001年佐贺县羽金山标准电波发射站的建立，使得电波的覆盖范围更广。

图2 越过障碍物的长波

长波能够轻松超越高楼。

但是，即便电波表接收不到电波，也可作为石英表来使用。一般的石英表，误差约为1天1秒，所以1个月的误差也仅为20～30秒左右。在作为石英表的这段时间里，它只需静待电波的到来即可。当它一旦捕捉到电波，便可自动校准所显示的时间。

接收GPS卫星电波的卫星表

特高频无线电波（UHF）是指频率为300兆赫～3吉赫，波长为10厘米～1米的电波。距地表约2万千米上空的GPS卫星所发出的就是频率为1575.42兆赫及1227.60兆赫的特高频无线电波。在市面上出现了一种新的卫星表，就是利用了GPS卫星所发射的电波中包含的时间信息，来修正自身时间的。

特高频无线电波虽然无法穿透大型障碍物，但由于电波是由高空直接发射至地面，所以并不会影响卫星表正常接收信号。

GPS卫星所发射出的电波中除包含“正确的时间”外，还包含“卫星位置”等信息。车载导航仪就是利用所接收到的多个GPS卫星信号中的“时间信息”和“位置信息”，再通过计算来对车辆进行定位的。由于电波的传播速度极快，约为30万千米/秒，在时间上仅仅1微秒（1/1000000秒）的误差就会在距离上产生300米的误差。所以，为了避免误差的产生，GPS卫星上都搭载有精准的铯原子表及铷原子表。

图3 通过接收标准电波来校准自身时间

电波表能够接收到标准电波时，可自动校准自身时间。在无法接收到电波处，可作为石英表使用，误差为每个月20～30秒。

图4 卫星表

卫星表所利用的是GPS卫星所发射的特高频无线电波。虽然特高频无线电波穿透障碍物的能力较差，但由于是从空中直接射向地面，所以受到的影响并不大。