時間基準

時間標準とは、時間の経過速度、時点、あるいはその両方を測るための規格です。近代では、以前は慣習や慣行に過ぎなかったいくつかの時間規格が、公式に標準として認められています。時間標準の一種として、時間の区分を測る方法を規定する時間尺度が挙げられます。常用時間の標準は、時間間隔と時刻の両方を規定できます。

標準化された時間測定は、自然現象または人工機械の変化のいずれかである周期の変化の周期をカウントするために時計を使用して行われます。

歴史的に、時間基準は地球の自転周期に基づくことが多かった。18世紀後半から19世紀にかけては、地球の毎日の自転速度は一定であると考えられていた。19世紀に研究された日食記録を含む様々な天文観測から、地球の自転速度が徐々に遅くなり、小規模な不規則性も見られるのではないかという疑念が生じ、これは20世紀初頭に確認された。地球の自転に基づく時間基準は、1952年以降、天文学的な用途では、地球の公転周期、そして実際には月の運動に基づく天体暦時間基準に置き換えられた（または当初は補完された）。1955年のセシウム原子時計の発明により、ほとんどの実用的用途において、古くて純粋に天文学的な時間基準は、原子時に全面的または部分的に基づく新しい時間基準に置き換えられた。

ほとんどの時間スケールでは、基本的な時間間隔として様々な種類の秒と日が用いられます。その他の時間間隔（分、時間、年）は通常、これら2つに基づいて定義されます。

用語

「時間」という用語は、一般的に、次のような多くの近いけれども異なる概念に使用されます。

  • 瞬間[ 1 ]オブジェクトとして – 時間軸上の一点。オブジェクトであるため、値を持たない。
    • 日付[ 2 ] は、瞬間を特徴付ける量として用いられる。量として、それは様々な方法で表現される値を持つ。例えば、ISO標準形式では「2014-04-26T09:42:36,75」、より口語的には「本日午前9時42分」のように表現される。
  • 時間間隔[ 3 ]はオブジェクトとして扱われる。これは二つの瞬間によって限定された時間軸の一部である。オブジェクトであるため、値を持たない。
    • 持続時間[ 4 ]は時間間隔を特徴付ける量である。[ 5 ]量としては、分数などの値を持つ場合もあれば、始まりと終わりの量（時刻や日付など）で記述される場合もある。
  • 年表とは、過去の出来事を順序立てて並べたものです。年表は年代順にグループ分けすることができます（時代区分）。最も重要な時代区分体系の一つは地質年代尺度で、これは地球とその生命を形作った出来事を時代区分する体系です。年表、時代区分、そして過去の解釈は、総じて歴史学として知られています。

2番目の定義

これまで秒の定義は3つしかありませんでした。1日の割合、1年の外挿の割合、そしてセシウム原子時計のマイクロ波周波数です。[ 6 ]

初期の時計は秒を測るほど正確ではありませんでした。機械式時計が発明された後、CGS単位系とMKS単位系はどちらも秒を平均太陽日の86,400分の1と定義しました。MKSは1940年代に国際的に採用されました。

1940年代後半、水晶発振器時計は地球の自転よりも正確に時間を測定できるようになりました。また、計量学者たちは、地球の太陽の周りを一周する軌道（1年）が、地球の自転よりもはるかに安定していることも知っていました。これがエフェメリス時間と太陽年の定義につながり、エフェメリス秒は「1900年1月0日、エフェメリス時間12時間における太陽年の1 / 31,556,925.9747の分数」と定義されました。[ 7 ] [ 8 ]この定義は1960年に国際単位系の一部として採用されました。[ 9 ]

近年、精度が向上した原子時計が開発されました。1967年以来、SI単位系における時間の基本単位はSI秒であり、これは「セシウム133原子の基底状態における2つの超微細準位間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期の持続時間」（温度0 K、平均海面）と定義されています。[ 10 ] [ 11 ] SI秒は、協定世界時、GPS時間、国際原子時など、あらゆる原子時計の基本単位です。

現在の時間基準

地心座標時（TCG）は、地球の質量中心を空間原点とする座標時です。TCGは理論上の理想であり、具体的な実現には測定誤差が生じます。

国際原子時（TAI）[ 12 ]は、物理的に実現された主要な時間基準です。TAIは国際度量衡局（BIPM）によって作成され、世界中の多くの原子時計からの総合的な入力に基づいています。[ 13 ]それぞれの原子時計は環境および相対論的影響（重力の影響と、GNSSのような速度の影響の両方）が補正されています。TAIはTCGと直接関係しているわけではなく、むしろ地球時間（TT）の実現です。TTは理論的な時間スケールであり、TCGを再スケーリングして時間率が平均海面での固有時にほぼ一致するようにしています。

世界時（UT1）は、地球の自転角（ERA）を経度0度における平均太陽時の歴史的な定義に合わせて線形にスケーリングしたものです。高精度では、地球の自転は不規則であり、長基線干渉法、月と人工衛星のレーザー測距、そしてGPS衛星の軌道を用いて、遠方のクエーサーの位置から決定されます。

協定世界時（UTC）は、UT1に近似するように設計された原子時計のスケールです。UTCはTAIと整数秒の差があります。UTCは、UTCに1秒の刻み（「うるう秒」）を導入することで、UT1との差が0.9秒以内に保たれています。現在まで、これらの刻み（および「TAI-UTC」の差）は常に正の値です。

全地球測位システム（GPS）は、 GPS時刻（GPST）をUTCに変換する指示とともに、非常に正確な時刻信号を世界中に送信しています。GPSTはTAIからの一定のオフセットで定義されています：GPST = TAI - 19秒。GPS時刻標準は独立して維持されていますが、UTC時刻と定期的に同期しています。

タイムゾーンにおける標準時または常用時は、世界時（通常はUTC）から一定の丸められた時間（通常は整数時間）だけずれています。このずれは、太陽が天底子午線を横切る頃に新しい日が始まるように設定されます。あるいは、このずれは実際には固定ではなく、年に2回、丸められた時間（通常は1時間）だけ変化します。 サマータイムを参照してください。

ユリウス通日とは、ユリウス先発暦における紀元前4713年1月1日のグリニッジ標準正午からの経過日数である。ユリウス日は、ユリウス通日数の後に、前正午からの経過日数の割合を付した値である。天文学者にとって都合の良いことに、これは観測夜間の日付の飛びを避けるのに有効である。修正ユリウス通日（MJD）は、MJD = JD - 2400000.5と定義される。したがって、MJDの日は常用日である真夜中に始まる。ユリウス通日はUT1、TAI、TTなどで表すことができるため、正確な用途ではタイムスケールを指定する必要がある（例：MJD 49135.3824 TAI）。[ 14 ]

重心座標時(TCB) は、重心と呼ばれる 太陽系の質量の中心に空間原点を持つ座標時です。

コンバージョン

原子時システム（TAI、GPST、UTC）間の変換は、ほぼ正確です。しかし、GPS時間は計算された「紙」のスケールではなく、測定値です。[ 15 ]そのため、UTC(USNO)とは数百ナノ秒の差が生じる可能性があり、[ 16 ]さらに、公式UTCとは最大26ナノ秒の差が生じる可能性があります。[ 15 ] UT1とTTの変換は、2022年時点でそれぞれ10マイクロ秒と0.1ナノ秒に規定されている公開された差分表に基づいています。

システム 説明 UT1 UTC TT タイ GPS
UT1 平均太陽時 UT1 UTC = UT1 − DUT1 TT = UT1 − DUT1 + LS + 32.184秒 + DTT TAI = UT1 − DUT1 + LS GPS = UT1 − DUT1 + LS − 19秒
UTC 常用時 UT1 = UTC + DUT1 UTC TT = UTC + LS + 32.184秒 + DTT TAI = UTC + LS GPS = UTC + LS − 19秒
TT 地球時間 UT1 = TT − 32.184 秒 − DTT − LS + DUT1 UTC = TT − 32.184 秒 − DTT − LS TT TAI = TT − 32.184秒 − DTT GPS = TT − 51.184秒 − DTT
タイ 原子時 UT1 = TAI − LS + DUT1 UTC = TAI − LS TT = TAI + 32.184秒 + DTT タイ GPS = TAI − 19秒
GPS GPS時間 UT1 = GPS + 19秒 − LS + DUT1 UTC = GPS + 19秒 − LS TT = GPS + 51.184秒 + DTT TAI = GPS + 19秒 GPS

定義:

  1. LS = TAI − UTC = USNOうるう秒表からのうるう秒[ 17 ]
  2. DUT1 = UT1 − IERS Bulletins [ 18 ]または US Naval Observatory EO [ 19 ]で発表された UTC
  3. DTT = TT − TAI − 32.184 sはBIPMのTT(BIPM)表に掲載されている。[ 20 ]

TCGはTTと次のように線形関係にある：TCG − TT = L G × (JD − 2443144.5) × 86400秒、スケール差L Gは6.969290134 × 10と定義される。ちょうど−10です。

TCBはTDBの線形変換であり、TDBはTTとはわずかに異なるが、そのほとんどは周期的な項である。これらの項（現時代を中心とした数千年では2ミリ秒程度）を無視すると、[ 21 ] TCBとTTの関係は、TCB − TT = L B × (JD − 2443144.5) × 86400秒となる。[ 22 ]スケール差L Bは、IAUによって正確に1.550519768e-08と定義されている。[ 21 ]

地球の自転に基づく時間基準

真太陽時または見かけの太陽時は、太陽日に基づいています。太陽日とは、太陽の正午（実際の太陽が子午線を通過）から次の正午までの期間です。1 太陽日は平均時で約 24 時間です。地球が太陽を回る軌道は楕円形であり、地球の軸は軌道面（黄道）に対して傾斜しているため、見かけの太陽日は 24 時間という平均値から数十秒上下に変化します。この変化が数週間にわたって蓄積されると、見かけの太陽時と平均太陽時の間には 16 分もの差が生じます（均時差を参照）。ただし、これらの変化は 1 年で相殺されます。地球のふらつきなど、他の摂動もありますが、これらは 1 年に 1 秒未満です。

恒星時は星による時間です。恒星自転は、地球が星の自転を伴って 1 周するのにかかる時間で、およそ 23 時間 56 分 4 秒です。平均太陽日は、平均恒星日よりも約 3 分 56 秒長く、平均恒星日よりも1 ⁄ 366長くなります。天文学では、恒星時は星が空の最高点に達する時間を予測するために使用されます。陸上での正確な天文学的作業では、平均太陽時を測定するのに太陽時ではなく恒星時を観測するのが一般的でした。これは、「固定」星の観測が太陽の観測よりも正確に測定および換算できたためです (屈折、行差、歳差運動、章動、固有運動など、さまざまな小さな補正を行う必要があるにもかかわらず)。太陽の観測が測定精度の達成にかなりの障害となることはよく知られています。[ 23 ]かつて、正確な時刻信号が配布される以前は、選択された「時計星」（位置と動きがよくわかっている）の子午線通過の恒星時を観測し、それを使用して地方平均恒星時で動いている天文台の時計を修正することが、どの天文台でも日常業務の一部でした。しかし、今日では地方恒星時は通常、時刻信号に基づいてコンピューターによって生成されます。[ 24 ]

平均太陽時は、特に海上で航海に用いられた時間基準であり、視太陽時を観測し、それに補正値（均時差）を加えることで算出された。均時差は、地球の軌道の楕円性と、地球の赤道および極軸の黄道（地球が太陽の周りを公転する面）に対する傾斜によって生じる、昼の長さの2つの既知の不規則性を補正する。平均太陽時は、世界時に取って代わられた。

グリニッジ標準時は、もともと王立グリニッジ天文台(RGO)での子午線観測から推定された平均時でした。1884 年、国際子午線会議でこの天文台の主子午線が本初子午線に選ばれました。GMT はその名称でも「グリニッジ平均時」でもかつては国際的な時間基準でしたが、現在はそうではありません。1928 年に世界時 (UT) に改名されました (1925 年 1 月 1 日から採用された、天文日の開始を正午からではなく真夜中に変更したことによる曖昧さが一部生じた結果です)。UT1 は、実際には今でもグリニッジ平均時です。今日、GMT はタイムゾーンですが、冬のイギリスの法定時刻 (夏時間用に 1 時間調整されます) のままです。しかし、英国では協定世界時（UTC）（UT1の誤差が常に0.9秒以内となる原子時計に基づく時間スケール）が実際に広く使用されており、GMTという名称はそれを指すのによく使われます。（「グリニッジ標準時」、「世界時」、「協定世界時」の記事と、それらの出典を参照してください。）

UT0やUT2などの世界時刻のバージョンも定義されていますが、現在は使用されていません。 [ 25 ] [ 26 ]

惑星運動計算のための時間基準

エフェメリス時間(ET) と、以下に説明するその後継時間スケールはすべて、惑星の運動の計算など、天文学での使用を意図したもので、均一性、特に地球の自転の不規則性からの自由を目的としています。これらの標準には、力学時間スケールや座標時間スケールの例があります。エフェメリス時間は、1952年から1976年まで国際天文学連合の公式時間スケール標準でした。これは、太陽の周りの地球の公転運動に基づいた力学時間スケールであり、そこからエフェメリス秒が熱帯年の定義された分数として導出されました。このエフェメリス秒は、1956年から1967年までSI秒の標準であり、セシウム原子時計の較正の元でもありました。その長さは、現在の原子時で参照される SI 秒のサイズと、 10 10分の 1 以内で厳密に複製されています。 [ 27 ] [ 28 ] このエフェメリス時間標準は非相対論的であり、相対論的座標時間スケールへの高まる需要を満たさなかった。1960年から1983年まで公式暦と惑星暦に使用されたが、1984年以降の公式暦では、数値積分されたジェット推進研究所開発エフェメリスDE200（JPLの相対論的座標時間スケールT ephに基づく）に置き換えられた。

地球表面における応用においては、ETの公式代替として地球力学時（TDT）が採用され、ETとの連続性が維持されました。TDTは統一された原子時スケールであり、その単位はSI秒です。TDTの速度は国際原子時（TAI）と同様にSI秒と連動していますが、TAIは1958年の導入当初、UTの改良版と等しくなるようやや恣意的に定義されたため、TDTはTAIから32.184秒のオフセットが与えられました。このオフセットにより、エフェメリス時刻からTDTへの連続性が確保されました。TDTはその後、地球時（TT）として再定義されました。

天体暦の計算には、 ET に代わる重心力学時間(TDB) が正式に推奨されました。TDB は TDT に似ていますが、原点を重心に移動する相対論的補正が含まれているため、重心における力学時間です。[ 29 ] TDB は TT と周期的な条件のみが異なります。その差は最大で 2 ミリ秒です。TDB の定義に欠陥が見つかり (T ephには影響しませんが)、TDB は重心座標時間(TCB) と地心座標時間(TCG)に置き換えられ、TCB の特定の固定線形変換であるJPL 天体暦時間引数 T ephに再定義されました。定義されているように、TCB (地球表面から観測) は ET、T eph、TDT/TT のすべてに対して発散率を持ちます。[ 30 ] TCG についても、程度は低いものの同じことが当てはまります。現在広く公式に使用されている太陽、月、惑星の天体暦は、引き続きジェット推進研究所で T eph を引数として計算されたものです (2003 年からDE405に更新) 。

参照

注記

参考文献

引用

  1. ^ IEC 60050-113:2011、項目113-01-08
  2. ^ IEC 60050-113:2011、項目113-01-012：「指定された時間スケールによって瞬間に割り当てられたマーク
  3. ^ IEC 60050-113:2011、項目113-01-010; ISO 80000-3:2006、項目3～7
  4. ^ IEC 60050-113:2011、項目113-01-013：「時間間隔の範囲（113-01-10）」
  5. ^ ISO 80000-3:2006、項目3～7
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出典

  • アーバン、ショーン、ザイデルマン、P・ケネス編 (2013). 『天文年鑑（第3版）補足解説』ミルバレー、カリフォルニア州: University Science Books.
  • 天文年鑑補足、 PKザイデルマン編、University Science Books、1992年、ISBN 0-935702-68-7。
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