UTCとGMTとJSTの違いは?原子時計~クオーツ時計まで体系的に解説!

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更新履歴
2017/03/01 アウトライン修正。配色変更。
2017/01/31 本文見出しを修正。
2017/01/17 文章構造を修正。
2017/01/07 画像を追加。
2017/01/06 原子時・時計の誤用を一部修正。その他微修正。
2017/01/05 SEIKO製電波時計に関する記述を修正。その他全面改稿。
2017/01/04 タイトル変更。それに伴い本文を修正。
2016/12/28 関連リンク追加。

2017年の1月1日、うるう秒が追加されました。

2015年の7月1日午前9時にも1秒間のうるう秒が追加される予定でしたが、これは結局追加されませんでした。

そのため、約2年半ぶりにうるう秒が追加されたこととなります。

で、

そもそもうるう秒ってなんだ?
なんのために挿入されるんだ?
なんか対応が必要なのかな?

…と、わけわかりませんので色々と調べました!

※ この記事は10分弱で読めます!

※ この記事は、別に専門家が書いているわけではありません。ですので誤解によって書かれている箇所がないとは言い切れません。
※ もしも間違いを見つけた際には、ぜひともご指摘頂ければ幸いです!!

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更新履歴2017/01/25 誤字修正。価格他を追記。2017/01/23 初版公開。皆さんこんにちは!今回ありがたいことに、ショップジャパンさんのキャンペーン
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更新履歴:2017/02/20 関連記事を更新2017/01/23 タイトル変更。本文修正。2017/01/17 文章構造を変更2017/01/09 初版公開あ

そもそもUTCとGMT、JSTの違いについて

JSTとはなにか

JSTは日本で使われる時刻体系。
JSTは日本で使われる時刻体系。

そもそも、私たちの暮らしている日本で用いている時刻は、一般的に「日本標準時=JST(Japan Standard Time)」という時刻体系が使われています。

日本標準時は、兵庫県明石市を通る東経135°の子午線を基準としています。

平たく言うと、昼の12時ちょうどに太陽が明石市の上空にくる時刻をもとにしたものです。

JSTとGMTは密接な関係があります。

 

GMTとはなにか

世界標準時という言葉をご存知でしょうか。

これは「GMT(Greenwich Mean Time)」と呼ばれるもので、経度0°の子午線を基準とした時刻体系です。

歴史の中で、イギリスのグリニッジ天文台を経度0°と定めたことは有名でしょう。

さきほど「JSTとGMTは密接な関係がある」と説明しました。

その関係というのが「どちらも経度、子午線を基準とした時刻体系」であるという点です。

学校の社会の授業や理科の授業などで、地球はほぼ球体の天体だとおそわっていることでしょう。

このことは「1日が経過する=日が変わる」ということが、地球が一周するということを意味します。

それは地球が24時間で360°回転するということとなり、1時間あたり15°すすむことが分かります。

360° ÷ 24時間 = 15°

 

従って、日本の経度135°というのは

15° × 9時間 = 135°

ということです。

 

この関係によって、

JST=GMT+9(GMTを9時間進めた時刻)

とよみかえられます。

 

また、私達が普段使っているJSTは、GMTだけではなく、UTCとも密接な関係があります。

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UTCとはなにか

世界各地で、協定世界時(Universal Time Coordinated、もしくは、Coordinated Universal Time)と呼ばれるものが1963年から使われています。

UTCとGMTは「協定世界時」と「世界標準時」と、とても似ています。

このふたつを区別するには、まず原子時計(Atomic Time)について知る必要があります。

 

 

クオーツ時計と原子時計と国際原子時

クオーツ時計(デジタル時計)とはなにか

クオーツ(石英)の結晶。いわゆる水晶と呼ばれるもの。
クオーツ(石英)の結晶。いわゆる水晶と呼ばれるもの。

と、そのまえに。

私たちが普段使っているデジタル時計がクオーツ時計(Quartz Clock)という種類であることをご存知ですか?

水晶発振器(≒クオーツ)を利用した時計で、水晶(石英など)に対して電流を流すと一定の振動をおこすため、その振動を機械でカウントして時を刻(きざ)むしくみになっています。

メモ

ちなみに、時計盤(文字盤ともいう)がついていても、電池で動作する時計はこのクオーツ時計です。

もちろん電波時計もクオーツ時計です。

クオーツの振動を計測して、それをデジタル風に表示するか、はたまた時計盤に針を使ってアナログ風に表示するかの違いはあるものの、基本的にはデジタル時計だということです。

このクオーツ時計は比較的安価で小型のため便利ですが、数年単位で使用すると、じょじょにズレてしまうことはみなさん経験上知っているとおもいます。

そのクオーツ時計よりも「精度の高い≒ほとんどズレない」時計として原子時計というものがあります。

 

この世界の時間は一定ではない

地球と人工衛星。飛行機が飛んでいる高さの100倍~200倍といった高度を飛行している。
地球と人工衛星。飛行機が飛んでいる高さの100倍~200倍といった高度を飛行している。

アインシュタイン博士の一般相対性理論や特殊相対性理論。

私もちゃんと理解しているとはいえないものの、言葉くらいは聞き知っています。

みなさんも、私と同じくらいの認識か、それ以上に知っていることでしょう。

このアインシュタイン博士が言うには、物体の移動速度(※)に応じて、時間の進み方が違うらしいのです。

 

※ 本来は一般相対性理論における重力場の影響もあるらしいですが、私が理解している範囲で説明しています。詳しく知りたい方は、以下のWikipediaの解説をお読みください!

 

たとえば

私たちがくらしている「日本(=陸の上)と、宇宙空間を飛んでいる人工衛星」を想像してみてください。

このとき、人工衛星は非常に速い速度で地球の周りを移動していますよね?

 

人工衛星がどれくらいはやいかというと、高度200kmにある人工衛星は、およそ2万8千km/hもの速度で移動しています。

車で頑張って100km/hの速度をだしても、それの280倍ものはやさで人工衛星は移動しているわけです。

 

 

人工衛星の高度と速度 – JAXA
次に、地上からH(km)の高さの円軌道を飛んでいる人工衛星の周期を計算してみましょう。周期とは、人工衛星が地球を一周する時間のことです。この軌道の円周は2π(6378+H)kmになります。これを人工衛星のスピードで割れば周期T(秒)が計算できます。

 T=2π(6378+H)/V

高度200kmで7.8km/秒、周期1時間28分
http://iss.jaxa.jp/shuttle/flight/sts99/earthkam_01_2.html より引用

 

 

原子時計と原子時

原子の世界。目に見えぬが役に立つ。
原子の世界。目には見えぬが役に立つ。

では人工衛星と陸の上とでは、どれくらい時間がズレるのでしょうか?

およそ1秒あたり100億分の4.45秒ほど人工衛星の方が遅くなっていきます。

この誤差はとても微細です。

そのため、これまでのクオーツ時計では精度が足りず、ズレが計測できませんでした。

そこでより精度の高い原子時計(Atomic Clock)の出番です。

原子時計というのは一般的にセシウムやアンモニアなどの原子にたいして、電波(マイクロ波)をあてて、誤差の少ない一定周期の振動波を発生させる仕組みになっています。

このような原子時計をもちいて計測した時間を、原子時(Atomic Time)といいます。

 

※100億分の4.45秒の理由は以下の引用もとを確認してください。

 

時間の遅れ – 一般相対性理論における時間の遅れ

全地球測位システム(GPS)では、GPS衛星が地上へ正確な時間を伝達することで、地球上の正確な位置を測定している。しかし人工衛星は重力源である地球から離れた衛星軌道上を周回し、地上に比して重力場が弱い環境にあって、その分地上よりも時間の経過は早い。このため、衛星側の内蔵時計は毎秒100億分の4.45秒だけ遅く進むように調整されている。また、衛星から地上へ電波が伝わる経路も地球の重力場にあり、伝播の時間も影響を受ける。この分も調整して電波が発信される。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%99%82%E9%96%93%E3%81%AE%E9%81%85%E3%82%8C より一部のみ引用。

 

 

 

 

原子時計とクオーツ時計の、精度の違い

では、原子時計とクオーツ時計はどれくらい精度が違うのでしょうか。

クオーツ時計の1秒間の振動回数はおよそ14回~15回程度でしかありません。

それにたいして原子時計の振動回数はおよそ92億回程度と桁違いです。

この振動回数が多ければ多いほどズレが少なくなり、ようするに高精度になるのです。

 

 

原子時計の発明により分かったこと

私たちの地球。永遠とそこにあるのだろうか。
私たちの地球。永遠とそこにあるのだろうか。

私たちの地球。

休まず回ってくれている働き者。

でも、加齢とともに(?)、なんと年々回る速度が遅くなっているらしいです。

それがわかったのも、原子時計が発明されたおかげ。

 

しかし…、地球さんの回る速度が遅くなっている理由はなんでしょうか?

もしかして、疲れているんでしょうか(笑)。

 

まあ、動物ではありませんので、ここでいう「疲れ」は天体学てき現象のようです。

例えば地球は自転していく中で、潮汐(月と太陽による、しおの満ちひき)の影響があります。そのほかにも、大気の摩擦といった理由もあるようです。

このように、年々地球の自転が遅くなっているということは、言い換えれば

年々1日の長さが少しずつ伸びている

ということです。

ここで、ようやくUTCの出番です。

1日の長さが伸びていて、将来的に時間の単位がズレて使い物にならないことを防ぐために、

数年おきに「うるう秒を追加したり減らしたりして、ズレを補正する」仕組みがUTCなのです。

 

やっと出てきましたね、うるう秒(笑)。

 

 

協定世界時(UTC)の登場理由

私たち日本人は、四季に敏感だと言われています。

古くから四季を表す言葉がありますが、その言葉と今現在の時期がずれているということは有名なことです。

例えば、2月初旬にある立春。

真冬の真っ只中ですが春だなんて…というのは言い古されていますよね。

このようなことがないように、西暦はうるう年という仕組みを使っています。

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