国際原子時と協定世界時

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1秒の定義

時計
1 日は地球が 1 回自転する時間だろうか――「否」である。
地球の自転にはふらつきがあるため、厳密に測定すると 1 日の長さにゆらぎが出る。そこで、科学者たちは「絶対的な」時間の長さを定めた。
国際単位系では時間の基本単位として、絶対的な「秒(second)」を定義している。
2004 年(平成 16 年)現在、「1秒はセシウム 133 原子(133Cs)の基底状態にある 2 つの超微細準位間の遷移に対応する放射の 9,192,631,770(約 100 億)周期にかかる時間」と定義されている。
この「秒」を基本として、1 分=60秒、1 時間=3,600秒、1 日=86,400秒、1 年=31,556,952秒のように定義されている。

国際原子時 (TAI)

世界初のセシウム原子時計
世界初のセシウム原子時計
セシウム 133 原子が刻む原子時計のうちパリにある国際度量衡局(Bureau International des Poids et Mesures;BIPM)が定めているものが「国際原子時(International Atomic Time;TAI)」と呼ばれ、1958 年(昭和 33 年)1 月 1 日 0 時 0 分 0秒から時刻を刻んでいる。

世界時 (UT)

グリニッジ天文台
グリニッジ天文台
原子時計に対し、経度 0 度(グリニジ子午線)において太陽が南中する時刻を正午とする時刻システムが「世界時(Universal Time;UT)」である。

実際には、位置が正確に知られている恒星を観測してその観測地の地方恒星時を求める。これは,パリに本部がある国際地球回転観測事業(IERS)が行っており、日本では文部省国立天文台が業務を受け持っている。そして、これとは別に計算される平均太陽の位置とこれとその地点の経度から、世界時が計算できる。この世界時が UT0 で、これに極運動の補正を加えたのを UT1、さらに地球の自転速度の季節変化の補正を加えたのを UT2 と呼ぶ。

うるう秒と協定世界時 (UTC)

うるう秒
前述したように地球の自転にはふらつきがあるため、TAI と UT2 の間には誤差が発生する。その原因は様々だが、大気や海水の流れが大きく影響する。季節風や海流の向きや速さが大きく変わると、自転の速度に影響を与える。また、巨大地震で断層が大きくずれると、重さのバランスが微妙に変わり自転がふらつくとされている。
2004 年(平成 16 年)末のスマトラ沖地震で自転速度がわずかに増したという報告もある。いずれにしても、自転のふらつきを計算で求めることはできない。

TAI と UT2 の間の誤差が±0.9秒を超えないように、TAI に対して 1秒を挿入したり削除したりする補正を行った時刻を「協定世界時(Coordinated Universal Time;UTC)」と呼ぶ。UTC は 1972 年(昭和 47 年)1 月 1 日 0 時 0 分 0秒からスタートした。この際の調整秒を「うるう秒(leap second)」と呼ぶ。

1972 年(昭和 47 年)以降2015 年(平成 27 年)6 月まで 26 回のうるう秒が設けられ、いずれも 1秒挿入で、6 月 30 日 23 時 59 分 59秒の直後、または 12 月 31 日 23 時 59 分 59秒の直後に挿入された。UTC開始点(UTC epoch)である 1972 年(昭和 47 年)1 月 1 日 0 時 0 分 0秒の時点で、UTC は TAI より 10秒遅れているとされた。その後のうるう秒の挿入によって UTC は TAI より遅れていき、2008 年(平成 20 年)9 月現在、TAI より 36秒遅れている。

総務省・情報通信研究機構は、2015 年(平成 27 年)7 月 1 日に 1秒のうるう秒を加えると発表。午前 8 時 59 分 59秒の後に 60秒を挿入する。2012 年(平成 24 年)7 月 1 日以来 3 年ぶりで、初めて実施した 1972 年(昭和 47 年)から数えて 26 回目。

ちなみに、電話の時報サービス「117」番を提供する NTT 東西地域会社は、2006 年(平成 18 年)1 月 1 日午前 8 時 58 分 20秒から午前 9 時までの 100秒間の秒音間隔を 100 分の 1秒ずつ長くすることで、「うるう秒」に対応すると発表している

ところで、国際原子時の頭文字の順番は IAT、協定世界時は CUT だが、順番が入れ替わって「TAI」「UTC」と略される。英語の略記法ではよくある現象だが、日本語扱う我々にとっては理解に苦しむ TAI はフランス語の Temps Atomique International の略が広まったためで、UTC は UT0、UT1 との関係から Universal Time, Coordinated の略が広まったためです。

2010 年(平成 22 年)8 月、国際電気通信連合 (ITU) が UTC から「うるう秒」を廃止することを検討していると報じられた(Time waits for no one: 'leap seconds' may be cut)。うるう秒はソフトウェアの不具合を引き起こす要因になっているためだ。実際、2008 年(平成 20 年)末のうるう秒調整においてはオラクルのソフトウェアが予期せずリブートするといったバグが発生した。
ITU は、UTC と UT との差を今後数百年にわたって修正せず、ある時点で「うるう時間」として一気に修正を行うという方法を検討しているという。
2012 年(平成 24 年)1 月 19 日、ジュネーブであった国連の専門機関、国際電気通信連合(ITU)の無線通信総会で、うるう秒は当面存続することに決まった。

国際宇宙ステーションと協定世界時 (UTC)

国際宇宙ステーション(ISS)
2011 年(平成 23 年)に完成し、高度約 400km の軌道にある国際宇宙ステーション(ISS)では、協定世界時(UTC)を使用している。

スペースシャトルでは、打上げ時点からの経過時間 MET(Mission Elapsed Time)を使用していたが、協定世界時も時々使用していた。

GPS時間

カーナビでお馴染みのGPSだが、原子時計と同等の時刻を配信している。
最近は GPS 受信機も安価になり、GPS 時間を受信して内部時計の時刻合わせを行っているシステムも多い(とくにインターネットから隔離されたシステム)。

GPS 時間の開始点は 1980 年(昭和 55 年)1 月 6 日 0 時 0 分 0秒で、その時点ではUTCと同じ時刻を指していた。しかし、TAIと同じ原子時間を刻んでいるため閏秒の影響を受け、2004 年(平成 16 年)10 月現在、UTC より 19秒進んでいる。

ただし、GPS 時間は UTC との差分も配信しているので、受信側で補正プログラムを用意し、システム内部時計を常に UTC と等しくなるように保つことができる。

グリニッジ標準時(GMT)

1972 年(昭和 47 年)に UTC が導入されるまで、グリニッジで観測されていた UT のことを「グリニッジ標準時(Greenwich Mean Time;GMT)」として、世界標準時として利用されていた。しかし現在では UTC が世界標準時である。GMT と表記されているものの中には UTC の誤りであることが多く見られる。
なお、日本標準時(JST)は UTC に 9 時間加えた時刻である。

コンピュータの時計はUTCか?

iMac
では、コンピュータの内部時計は UTC(JST)を刻んでいるか?
実はコンピュータ時計の基準時刻は定められていない。というより、メーカー/ベンダ任せなのである。
コンピュータの内部時計が地球の自転のふらつきを関知できるわけもないから、TAI を刻む方が理に適っているのだが、実際には TAI で統一されているわけでもない。
たとえば UNIX 処理系では、1970 年(昭和 45 年)1 月 1 日 0 時 0 分 0秒(UNIX epoch)から累積秒数を示す「UNIX 時間」をベースに時間・カレンダー計算を行うことが多い。これは、GNU/Linux にも受け継がれ、C や Java でもお馴染みの数え方である。
では、UNIX epoch は TAI と等しいかというと、そういう定義はなされていない。1970 年(昭和 45 年)の時点では、数秒程度の誤差がシステムに影響するとは考えられていなかったようである。

UNIX時間と閏秒

その後のインターネット時代を迎え、UNIX ネットワークが世界中に広がるに連れて、システムの時刻の足並みを揃える必要が出てきた。当然、コンピュータ以外でも利用されている UTC を使って足並みを揃えるべきなのだが、OS レベルで閏秒をサポートするものとそうでないものが出てきた。

OS レベルで閏秒をサポートしているかどうか、以下のプログラムを実行してみてほしい。コメント通りの結果が得られたら、OS レベルで閏秒をサポートしている。

main(void) {
    unsigned long l = 78796799;
    printf(ctime(&l));
    l++;
    printf(ctime(&l));
    l++;
    printf(ctime(&l));
}
/**閏秒をサポートしていれば
 * Sat Jul  1 08:59:59 1972
 * Sat Jul  1 08:59:60 1972
 * Sat Jul  1 09:00:00 1972
 */


また、OS レベルで閏秒をサポートしていても、アプリケーションがサポートしていない場合がある。とくにデータベースにカレンダー計算をさせるような場合には注意が必要である。

C で組んだモジュールでは閏秒を加味した計算結果を出しているのに、同じ時間差をデータベースで計算しているモジュールでは閏秒を加味していないため、システム全体として矛盾が発生することがあり得る。
UNIX のパッチに用いられる閏秒の最新データは、Time Zone Database から最新の tzdata をダウンロードし、解凍して得られる "leapseconds" にテキストファイルとして含まれている。

これまで Windows 系システムには閏秒の概念がなく、leap smearing という形で、長い時間をかけて 1秒分を補正してきた。ところが、欧米では時刻同期の誤差に対する規制が強化されたため、Windows Server 2019 では、閏秒を実際に挿入する処理が行われるという。また、Windows 10 も、2018 年(平成 30 年)後半のアップデートで閏秒をサポートする見込みだ。

UTC, TAI, GPS時間, うるう秒

最後に、UTC, TAI, GPS 時間、そしてうるう秒の出現回数を一覧表で示す。ピンク色の部分がうるう秒の発生タイミングである。
この一覧表は、前述の leapseconds を参照し、PHP でリアルタイム表示させているものである。
イベント 協定世界時(UTC) 国際原子時(TAI) GPS時間
UNIX epoch- 1970/01/01 00:00:00 -
UTC epoch1972/01/01 00:00:00 1972/01/01 00:00:10 -
11972/06/30 23:59:59 1972/06/31 00:00:09 -
1972/06/30 23:59:60 1972/06/31 00:00:10 -
1972/07/01 00:00:00 1972/07/01 00:00:11 -
21972/12/31 23:59:59 1973/01/01 00:00:10 -
1972/12/31 23:59:60 1973/01/01 00:00:11 -
1973/01/01 00:00:00 1973/01/01 00:00:12 -
31973/12/31 23:59:59 1974/01/01 00:00:11 -
1973/12/31 23:59:60 1974/01/01 00:00:12 -
1974/01/01 00:00:00 1974/01/01 00:00:13 -
41974/12/31 23:59:59 1975/01/01 00:00:12 -
1974/12/31 23:59:60 1975/01/01 00:00:13 -
1975/01/01 00:00:00 1975/01/01 00:00:14 -
51975/12/31 23:59:59 1976/01/01 00:00:13 -
1975/12/31 23:59:60 1976/01/01 00:00:14 -
1976/01/01 00:00:00 1976/01/01 00:00:15 -
61976/12/31 23:59:59 1977/01/01 00:00:14 -
1976/12/31 23:59:60 1977/01/01 00:00:15 -
1977/01/01 00:00:00 1977/01/01 00:00:16 -
71977/12/31 23:59:59 1978/01/01 00:00:15 -
1977/12/31 23:59:60 1978/01/01 00:00:16 -
1978/01/01 00:00:00 1978/01/01 00:00:17 -
81978/12/31 23:59:59 1979/01/01 00:00:16 -
1978/12/31 23:59:60 1979/01/01 00:00:17 -
1979/01/01 00:00:00 1979/01/01 00:00:18 -
91979/12/31 23:59:59 1980/01/01 00:00:17 -
1979/12/31 23:59:60 1980/01/01 00:00:18 -
1980/01/01 00:00:00 1980/01/01 00:00:19 -
GPS epoch1980/01/06 00:00:00 1980/01/06 00:00:19 1980/01/06 00:00:00
101981/06/30 23:59:59 1981/06/31 00:00:18 1981/06/30 23:59:59
1981/06/30 23:59:60 1981/06/31 00:00:19 1981/06/31 00:00:00
1981/07/01 00:00:00 1981/07/01 00:00:20 1981/07/01 00:00:01
111982/06/30 23:59:59 1982/06/31 00:00:19 1982/06/31 00:00:00
1982/06/30 23:59:60 1982/06/31 00:00:20 1982/06/31 00:00:01
1982/07/01 00:00:00 1982/07/01 00:00:21 1982/07/01 00:00:02
121983/06/30 23:59:59 1983/06/31 00:00:20 1983/06/31 00:00:01
1983/06/30 23:59:60 1983/06/31 00:00:21 1983/06/31 00:00:02
1983/07/01 00:00:00 1983/07/01 00:00:22 1983/07/01 00:00:03
131985/06/30 23:59:59 1985/06/31 00:00:21 1985/06/31 00:00:02
1985/06/30 23:59:60 1985/06/31 00:00:22 1985/06/31 00:00:03
1985/07/01 00:00:00 1985/07/01 00:00:23 1985/07/01 00:00:04
141987/12/31 23:59:59 1988/01/01 00:00:22 1988/01/01 00:00:03
1987/12/31 23:59:60 1988/01/01 00:00:23 1988/01/01 00:00:04
1988/01/01 00:00:00 1988/01/01 00:00:24 1988/01/01 00:00:05
151989/12/31 23:59:59 1990/01/01 00:00:23 1990/01/01 00:00:04
1989/12/31 23:59:60 1990/01/01 00:00:24 1990/01/01 00:00:05
1990/01/01 00:00:00 1990/01/01 00:00:25 1990/01/01 00:00:06
161990/12/31 23:59:59 1991/01/01 00:00:24 1991/01/01 00:00:05
1990/12/31 23:59:60 1991/01/01 00:00:25 1991/01/01 00:00:06
1991/01/01 00:00:00 1991/01/01 00:00:26 1991/01/01 00:00:07
171992/06/30 23:59:59 1992/06/31 00:00:25 1992/06/31 00:00:06
1992/06/30 23:59:60 1992/06/31 00:00:26 1992/06/31 00:00:07
1992/07/01 00:00:00 1992/07/01 00:00:27 1992/07/01 00:00:08
181993/06/30 23:59:59 1993/06/31 00:00:26 1993/06/31 00:00:07
1993/06/30 23:59:60 1993/06/31 00:00:27 1993/06/31 00:00:08
1993/07/01 00:00:00 1993/07/01 00:00:28 1993/07/01 00:00:09
191994/06/30 23:59:59 1994/06/31 00:00:27 1994/06/31 00:00:08
1994/06/30 23:59:60 1994/06/31 00:00:28 1994/06/31 00:00:09
1994/07/01 00:00:00 1994/07/01 00:00:29 1994/07/01 00:00:10
201995/12/31 23:59:59 1996/01/01 00:00:28 1996/01/01 00:00:09
1995/12/31 23:59:60 1996/01/01 00:00:29 1996/01/01 00:00:10
1996/01/01 00:00:00 1996/01/01 00:00:30 1996/01/01 00:00:11
211997/06/30 23:59:59 1997/06/31 00:00:29 1997/06/31 00:00:10
1997/06/30 23:59:60 1997/06/31 00:00:30 1997/06/31 00:00:11
1997/07/01 00:00:00 1997/07/01 00:00:31 1997/07/01 00:00:12
221998/12/31 23:59:59 1999/01/01 00:00:30 1999/01/01 00:00:11
1998/12/31 23:59:60 1999/01/01 00:00:31 1999/01/01 00:00:12
1999/01/01 00:00:00 1999/01/01 00:00:32 1999/01/01 00:00:13
232005/12/31 23:59:59 2006/01/01 00:00:31 2006/01/01 00:00:12
2005/12/31 23:59:60 2006/01/01 00:00:32 2006/01/01 00:00:13
2006/01/01 00:00:00 2006/01/01 00:00:33 2006/01/01 00:00:14
242008/12/31 23:59:59 2009/01/01 00:00:32 2009/01/01 00:00:13
2008/12/31 23:59:60 2009/01/01 00:00:33 2009/01/01 00:00:14
2009/01/01 00:00:00 2009/01/01 00:00:34 2009/01/01 00:00:15
252012/06/30 23:59:59 2012/06/31 00:00:33 2012/06/31 00:00:14
2012/06/30 23:59:60 2012/06/31 00:00:34 2012/06/31 00:00:15
2012/07/01 00:00:00 2012/07/01 00:00:35 2012/07/01 00:00:16
262015/06/30 23:59:59 2015/06/31 00:00:34 2015/06/31 00:00:15
2015/06/30 23:59:60 2015/06/31 00:00:35 2015/06/31 00:00:16
2015/07/01 00:00:00 2015/07/01 00:00:36 2015/07/01 00:00:17
272016/12/31 23:59:59 2017/01/01 00:00:35 2017/01/01 00:00:16
2016/12/31 23:59:60 2017/01/01 00:00:36 2017/01/01 00:00:17
2017/01/01 00:00:00 2017/01/01 00:00:37 2017/01/01 00:00:18
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参考書籍

表紙 時計の科学 人と時間の5000年の歴史
著者 織田 一朗
出版社 講談社
サイズ 新書
発売日 2017年12月13日
価格 1,058円(税込)
rakuten
ISBN 9784065020418
人類が「時間」の存在に気づいたのは、いまから5000年以上も前のことです。太陽の動きを利用した「日時計」から始まり、周期を人工的につくりだす「機械式時計」の誕生、精度に革命を起こした「クオーツ時計」、そして、時間の概念を変えた「原子時計」まで。時代の最先端技術がつぎ込まれた時計の歴史を余すところなく解説します。
 
表紙 暦と時間の歴史
著者 正宗聡/正宗聡
出版社 丸善出版
サイズ 全集・双書
発売日 2013年09月30日
価格 1,080円(税込)
rakuten
ISBN 9784621087091
1年は365日、1週間は7日、1日は24時間…身近な「時」の刻み方はどうやって決められていったのか。そういえば知らない暦の成り立ちを、西洋史を交えながら紹介。ユダヤ歴、イスラム歴やヒンドゥー歴など世界の名だたる暦の数え方も説明する。太陰暦・太陽暦の数え方は規則的だが、現実とのずれの修正はさまざまで、地元文化、宗教、国々との対立などさまざまなドラマを生み出していた。ギリシャ時代から近現代までにわたる暦の移りかわりも解説する類書のない一冊。
 
表紙 暦の科学
著者 片山真人
出版社 ベレ出版
サイズ 単行本
発売日 2012年05月
価格 1,620円(税込)
rakuten
ISBN 9784860643201
1年、1ヵ月、1週間、1日といった、時の体系「暦」は非常によくできたシステムです。それは古代から人々が天を仰ぎ観察し続けた、太陽と月の動きから作られています。本書ではその仕組みをやさしく解説し、それにともなう季節の話、潮の満ち干や日食・月食などにも触れていきます。
 
表紙 空と月と暦―天文学の身近な話題
著者 米山忠興
出版社 丸善出版
サイズ 単行本
発売日 2006年01月
価格 1,944円(税込)
rakuten
ISBN 9784621077009
日ごと、星はめぐり、月は満ち欠けをくり返します。天文学は、空を眺めてその変化を季節の移り変わりと結びつけることから始まり、私たちの生活と密接にかかわりあいながら発展してきました。本書では、天文学のむずかしい話は横に置き、その周辺の身近な話題を取り上げ、やさしくていねいに解説します。星座たちは日ごと月ごとどのように変化していくのか、月がどれほどわれわれの生活とかかわってきたか、暦はどのように成り立って、時や季節を表してきたのか、…などなど、わかりやすく楽しい話題が満載です。
 
表紙 暦の雑学事典
著者 吉岡安之
出版社 日本実業出版社
サイズ 単行本
発売日 1999年12月
価格 1,404円(税込)
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ISBN 9784534030214
知っているとちょっと楽しい知識を満載!ミレニアムの意外な秘密がわかる。暦の歴史をたどり、ルーツを探る。いまに生きる旧暦の数々がわかる。さまざまな時計の歴史と科学を紹介。身近な暦の話題から歳時記まで暦の蘊蓄が盛りだくさん。
 

参考サイト

(この項おわり)
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