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태양시

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목차

1. 개요

태양시는 태양의 겉보기 운동을 기준으로 하는 겉보기 태양시와, 평균 태양의 시각을 기준으로 하는 평균 태양시로 나뉜다. 겉보기 태양시는 실제 태양의 위치를 기반으로 하며, 지구 궤도의 이심률과 자전축 기울기로 인해 겉보기 태양일의 길이가 계절에 따라 변동한다. 평균 태양시는 겉보기 태양시와 달리 거의 일정하며, 시간 방정식으로 두 시각의 차이를 나타낸다. 역사적으로 태양은 시간 측정의 기초가 되었으며, 고대 이집트와 중국에서 해시계와 같은 도구를 사용하여 태양시를 측정했다. 상업의 발달과 기계식 시계의 보급으로 평균 태양시가 도입되었고, 현재 세계시(UT1)와 협정 세계시(UTC)를 통해 시간 체계가 유지된다. 천문학에서는 과거 정오를 기준으로 날짜를 변경하는 천문시를 사용했으나, 1925년 1월 1일부터 자정을 기준으로 하는 평시로 통일되었다.

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태양시
태양시 정보
정의태양의 겉보기 위치에 따른 시간 측정 방식
계산 기준태양이 천구상에서 보이는 위치
경과 시간태양의 겉보기 위치 변화를 통해 계산
종류균시차 보정 여부에 따라 '균시 태양시'와 '진 태양시'로 구분
균시차균일한 시간 흐름에 대한 진 태양시의 편차
진 태양시실제 태양의 움직임을 기준으로 한 시간
균시 태양시평균 태양의 움직임을 기준으로 한 시간
정오태양이 자오선을 통과하는 시점
지방시특정 위치의 태양시
협정 세계시(UTC)국제적으로 표준화된 시간 기준, 태양시와는 차이
역사적 중요성고대부터 시간 측정에 사용
현대적 활용천문학, 항해 등에서 기준 시간으로 사용
일출/일몰태양시 기준 시간이 일출과 일몰 시간에 영향

2. 태양시의 종류

태양시는 크게 시태양시와 평균태양시로 구분된다.
시태양시(視太陽時, apparent solar time)는 관측자가 실제로 보는 태양의 위치를 기준으로 하는 시간이다. 이는 진태양시(眞太陽時, true solar time)라고도 불리며, 실제 태양의 겉보기 운동을 기반으로 한다.[4] 시태양시는 해시계로 대략 측정할 수 있다. 시태양일의 길이는 1년 내내 변하며, 평균 태양시와 최대 16분까지 차이가 날 수 있다.
평균태양시(平均太陽時, mean solar time)는 평균 태양의 시각에 12시간을 더한 것이다. 평균 태양은 일정한 속도로 황도를 따라 이동하며, 근일점과 원일점에서 실제 태양과 일치하는 가상의 태양이다.[15] 평균태양시는 세계시(UT1) 시간 척도로 실현되며, 다른 은하에 위치한 전파원의 일주 운동 관측을 통해 수학적으로 구성된다.[11][12] 평균 태양일의 길이는 겉보기 태양일과 달리 거의 일정하다.[13]

시태양일(진태양일)의 길이는 황도와 적도 사이의 23.5도 경사, 지구 공전 궤도의 타원 형태 때문에 계절에 따라 변한다.

2. 1. 시태양시와 진태양시

시태양시(視太陽時, apparent solar time)와 진태양시(眞太陽時, true solar time)는 각각 시태양일과 진태양일에 기반을 두는 태양시이다. 시태양일과 진태양일은 태양이 관측 지점의 자오선을 연속으로 두 번 통과하는 시간 간격이다. 시태양일은 관측자가 실제로 보는 태양의 위치를 기준으로 하며, 해시계로 측정할 수 있다. 진태양일은 빛의 속도를 고려하여 실제 태양의 위치를 기준으로 한다. 지구와 태양 사이의 거리는 대략 147500000km에서 152500000km 사이로,[34] 태양 빛이 지구에 도달하는 시간은 약 8분 12초에서 8분 28초 정도이다. 따라서 시태양일과 진태양일의 시각 차이는 약 1.35초에서 1.39초이다. 시태양시는 태양이 지구상 관측 지점의 경선상에 뜰 때를 정오로 한다.[35]

시태양일(진태양일)의 길이는 계절에 따라 변하는데, 이는 두 가지 원인 때문이다. 첫째는 황도와 적도 사이에 23.5도의 경사가 있다는 점이고, 둘째는 지구의 공전 궤도가 원형이 아닌 타원형이라는 점이다.

지구의 태양 공전 궤도, 이심률 표시


9월에는 태양이 (정확한 시계로 측정했을 때) 12월보다 겉보기 자전에 걸리는 시간이 더 짧다. 24시간의 태양시는 시계 시간의 24시간보다 21초 더 짧거나 29초 더 길 수 있다. 이러한 변화는 시간 방정식으로 정량화할 수 있다. 이는 지구 궤도의 이심률(지구 궤도가 완벽한 원이 아니므로 지구와 태양 사이의 거리가 일 년 내내 변함)과 지구의 자전축이 공전 궤도면( 황도 경사)에 수직이 아니라는 사실 때문이다.

겉보기 태양은 지구상의 관측자가 보는 실제 태양이다.[4] 겉보기 태양시 또는 진태양시는 실제 태양의 겉보기 운동을 기반으로 하며, 겉보기 태양일(태양이 특정 지역의 자오선을 연속해서 두 번 통과하는 사이의 간격)을 기준으로 한다.[5][6] 겉보기 태양시는 해시계로 대략 측정할 수 있다.

태양일의 길이는 일 년 내내 변하며, 그 누적된 효과로 인해 평균 태양시와 최대 16분까지 차이가 발생한다. 이러한 현상에는 두 가지 주요 원인이 있다. 첫째, 지구 궤도의 이심률 때문에 지구는 태양에 가장 가까울 때(근일점) 더 빠르게 움직이고, 가장 멀리 떨어져 있을 때(원일점) 더 느리게 움직인다(케플러의 행성 운동 법칙 참조). 둘째, 지구의 자전축 기울기(황도 경사) 때문에 태양의 연간 운동은 지구의 천구 적도에 기울어진 대원(황도)을 따라 이루어진다. 태양이 춘분과 추분에 적도를 지날 때, 태양의 일일 이동(배경 별에 대한 상대적 이동)은 적도에 대해 일정한 각도를 이루므로, 적도에 대한 이 이동의 투영은 연간 평균보다 작다. 태양이 하지와 동지에 적도에서 가장 멀리 떨어져 있을 때, 하루에서 다음 날까지 태양의 위치 이동은 적도와 평행하므로, 적도에 대한 이 이동의 투영은 연간 평균보다 크다(태양년 참조). 6월과 12월에 태양이 천구 적도에서 가장 멀리 떨어져 있을 때, 황도를 따라 주어진 이동은 적도에서 큰 이동에 해당한다. 따라서 겉보기 태양일은 6월이나 12월보다 3월과 9월에 더 짧다.

겉보기 태양일의 길이 (1998)[9]
날짜평균 태양시 기준 지속 시간
2월 11일24시간
3월 26일24시간 − 18.1초
5월 14일24시간
6월 19일24시간 + 13.1초
7월 25/26일24시간
9월 16일24시간 − 21.3초
11월 2/3일24시간
12월 22일24시간 + 29.9초



이러한 값들은 몇 년 후에는 약간 변하고, 수천 년 후에는 상당히 변할 수 있다.

시계가 보급된 현대 사회에서는 시태양시를 사용하는 경우가 거의 없지만, 일조량 확보를 목적으로 하는 건축물 규제(일조권 침해 방지 규제)에서는 진태양시가 사용된다.[24][25]

2. 2. 평균태양시

평균태양시(平均太陽時, mean solar time)는 시태양시의 변동성을 보완하기 위해 고안된 개념이다. 이는 가상의 "평균 태양"을 기준으로 하며, 이 평균 태양은 1년 동안 실제 태양의 평균 속도와 일치하는 일정한 속도로 천구의 적도를 따라 움직인다.[2]

평균태양시는 항성시 관측을 통해 결정된다. 1 평균태양시는 평균항성시로 24시 3분 56.5554초이다. 항성시와 태양시는 오랫동안 사용되어 왔지만, 지구 자전 속도의 변화와 조석력의 영향으로 완벽하게 일정하지 않다. 예를 들어 1 평균태양일의 길이는 약 10만 년 사이에 1초가량 길어진다.[3]

이러한 문제를 해결하기 위해 평균태양시가 고안되었지만, 여전히 한 세기에서 다음 세기로 완벽하게 일정하지는 않다. 현대에는 평균태양시가 세계시(UT1)로 표현되며, 이는 다른 은하에 위치한 전파원의 일주 운동 관측을 통해 수학적으로 구성된다.[10][12] 평균태양일의 길이는 겉보기 태양일과 달리 거의 일정하지만, 조석의 영향으로 정확히 일정하지는 않다. 2013년 평균은 86,400초(=24시간)에 비해 1~2밀리초 정도 길다.[27][28]

기계시계가 지구 자전에 의한 자연적인 “항성시계” 수준의 정확도에 도달한 것은 20세기에 들어서였다. 1928년, 그리니치 평균시를 계승하여 “세계시”가 정의되었고,[29] 1935년 국제적으로 사용하는 것이 채택되었다.[30] 오늘날의 원자시계는 지구 자전보다 훨씬 고정밀도이지만, 현재도 세계시(UT1)를 결정하기 위해 항성의 운동 관측이 사용되고 있다.

2. 2. 1. 균시차

'''균시차'''(均時差)는 시태양시(겉보기 태양시)와 평균태양시의 차이를 말한다. 이 차이는 지구 궤도의 이심률과 자전축 기울기 때문에 발생한다.[2]

지구의 공전 궤도는 완벽한 원이 아니라 타원 형태이므로, 태양과의 거리가 달라진다. 지구가 태양에 가장 가까운 근일점에 있을 때는 공전 속도가 빨라지고, 가장 멀리 떨어진 원일점에 있을 때는 느려진다. (케플러의 행성 운동 법칙 참조)

또한 지구의 자전축은 황도(지구 공전 궤도면)에 대해 기울어져 있다. 이 때문에 태양은 천구의 적도를 따라 움직이는 것이 아니라, 황도를 따라 움직이는 것처럼 보인다. 태양이 춘분과 추분점에 있을 때는 천구의 적도에 대한 태양의 일일 이동 각도가 작아져 평균보다 겉보기 태양일이 짧아진다. 반대로, 하지와 동지점에서는 이 각도가 커져 겉보기 태양일이 길어진다. (태양년 참조)

1998년 겉보기 태양일의 길이 변화[9]
날짜평균 태양시 기준 지속 시간
2월 11일24시간
3월 26일24시간 − 18.1초
5월 14일24시간
6월 19일24시간 + 13.1초
7월 25/26일24시간
9월 16일24시간 − 21.3초
11월 2/3일24시간
12월 22일24시간 + 29.9초



이러한 요인들로 인해 겉보기 태양일의 길이는 일 년 내내 변하며, 평균 태양일과의 차이가 최대 16분까지 벌어질 수 있다. 시간 방정식은 이러한 차이를 나타내는 그래프이다.

3. 태양시의 역사

태양과 달, 뉘른베르크 연대기, 1493년


태양은 항상 하늘에서 볼 수 있었고, 그 위치는 고대에 사용된 시간 측정 방법인 시각적인 태양시의 기초를 형성한다. 기원전 약 3500년경에 건설된 이집트의 오벨리스크,[16] 기원전 2300년으로 거슬러 올라가는 중국의 규표,[17] 기원전 1500년으로 거슬러 올라가는 이집트의 해시계[18]는 태양의 위치를 측정하기 위한 초기 방법들 중 일부이다.

바빌로니아 천문학자들은 낮의 시간이 일년 내내 다르다는 것을 알고 있었다. 기원전 649년의 점토판은 그들이 가장 긴 날과 가장 짧은 날의 비율을 2:1로 사용했고, 선형 지그재그 함수를 사용하여 변화를 추정했음을 보여준다.[19] 그들이 태양일의 길이 변화와 해당 시간 방정식을 알고 있었는지는 분명하지 않다. 프톨레마이오스는 그의 ''알마게스트''(2세기)에서 평균 태양일과 시각 태양일을 명확하게 구분하고, 그의 ''핸디 테이블''에 시간 방정식을 표로 만들었다.[20]

상업이 증가하고 기계식 시계가 개선됨에 따라 시각적인 태양시는 덜 유용해졌다. 평균 태양시는 1834년 영국과 1835년 프랑스의 역서에 도입되었다. 태양은 하늘에서 크기가 크기 때문에 직접 관측하기 어려웠기 때문에, 평균 태양시는 점과 같은 관측을 사용하는 별에 의해 관측된 시간의 고정된 비율로 결정되었다. 자정부터 "평균 태양시"를 측정하기 위한 특정 표준이 세계시로 불리게 되었다.[11]

개념적으로 세계시는 태양에 대한 지구의 자전이므로 평균 태양시이다. 그러나 1955년부터 일반적으로 사용되는 버전인 UT1은 지구가 자전할 때 지구의 극의 운동을 보정하는 약간 다른 자전 정의를 사용한다. 이 보정된 평균 태양시와 협정 세계시(UTC)의 차이에 따라 윤초가 필요한지 여부가 결정된다. 1972년 이후 UTC 시간 척도는 SI 초로 실행되었고, 채택될 당시 SI 초는 이미 현재 평균 태양시 초 값보다 약간 짧았다.[21][11]

4. 천문시

천문시는 과거 천문학에서 사용하던 시간 체계로, 정오를 날짜변경선으로 삼았다. 즉 정오에 날짜가 갱신되었으며, 밤에 하는 천문 관측 및 기록에 편리했다. 이러한 천문시의 사용은 클라우디오스 프톨레마이오스로부터 시작되었다.[31]

이에 비해 자정을 날짜변경선으로 하는 시간 체계는 "평시"(시민시)라고 불린다.

천문시는 일반 사회에서 실수를 일으키기 쉬워 1925년 1월 1일부터는 천문학에서도 천문시가 폐지되고, 자정을 날짜 변경선으로 하는 평시 방식으로 통일되었다.

하지만, 율리우스일에 대해서는 계속해서 정오를 날짜 변경선으로 사용하고 있다.[32][33]

참조

[1] 웹사이트 Connaissance des Temps for 1902, page 759 http://gallica.bnf.f[...] 2011-08-10
[2] 웹사이트 solar time, mean https://aa.usno.navy[...] Her Majesty's Nautical Almanac Office and the United States Naval Observatory 2021
[3] 웹사이트 Leap Seconds http://tycho.usno.na[...] 1999
[4] 웹사이트 Celestial Mechanics Chapter 6 http://www.astro.uvi[...] 2022-03-27
[5] 웹사이트 solar time, apparent https://aa.usno.navy[...] Her Majesty's Nautical Almanac Office and the United States Naval Observatory 2021
[6] 웹사이트 Astronomical Information Sheet No. 58 https://web.archive.[...] 1989-08
[7] 웹사이트 Technical Notes on Mars Solar Time as Adopted by the Mars24 Sunclock http://www.giss.nasa[...] National Aeronautics and Space Administration 2015-06-30
[8] 논문 A post-Pathfinder evaluation of areocentric solar coordinates with improved timing recipes for Mars seasonal/diurnal climate studies https://pubs.giss.na[...]
[9] 서적 Mathematical astronomy morsels Willmann-Bell
[10] 서적 Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac University Science Books 2013
[11] 서적 TIME From Earth Rotation to Atomic Physics Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA 2009
[12] 논문 Expressions to implement the IAU 2000 definition of UT1 http://www.aanda.org[...] 2003
[13] 위키 ΔT (timekeeping)
[14] 웹사이트 The duration of the true solar day http://www.pierpaolo[...]
[15] 서적 Astronomical Algorithms Willmann-Bell
[16] 웹사이트 A Walk Through Time - Early Clocks https://www.nist.gov[...] National Institute of Standards and Technology 2009-08-12
[17] 논문 Gnomons in Ancient China 2015
[18] 논문 Reconstruction of ancient Egyptian sundials http://aaatec.org/do[...] 2014
[19] 논문 A Neo-Babylonian Report on Seasonal Hours https://www.jstor.or[...] 1974
[20] 서적 A History of Ancient Mathematical Astronomy Springer-Verlag 1975
[21] 논문 The Physical Basis of the Leap Second
[22] 서적 航海教授書 海軍兵学寮 1871
[23] 서적 航海術・運用術・術語界説 中山海士学館 1918
[24] 간행물 建築基準法 https://laws.e-gov.g[...] 1950-05-24
[25] 간행물 建築基準法施行規則 https://laws.e-gov.g[...] 1950-11-16
[26] 서적 天体観測法 恒星社厚生閣 1949
[27] 웹사이트 1日の長さは変化しているの？ https://www.nao.ac.j[...] 自然科学研究機構 国立天文台
[28] 웹사이트 http://hpiers.obspm.[...]
[29] 논문 雑録　万国天文学協会第三回総会（一） https://www.asj.or.j[...] 日本天文学会 1928-11
[30] 논문 雑報　万國天文学協会第五回総会記事 https://www.asj.or.j[...] 日本天文学会 1935-11
[31] 위키 均時差,正中,地方時,正午,正子 https://eco.mtk.nao.[...]
[32] 웹사이트 1日の始まり https://eco.mtk.nao.[...] 国立天文台 ＞ 暦計算室 ＞ 暦Wiki
[33] 논문 雑報　緑威平均時の争論 https://www.asj.or.j[...] 日本天文学会 1925-10
[34] 서적 Physical Geography http://books.google.[...] Brooks Cole
[35] 백과사전 태양시 http://www1.encyber.[...] 두산


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