経緯度観測

経緯度観測の歴史

定まった陸上の場所や船舶の位置を経緯度で表すことは、地図測量や航行には必要不可欠です。現在ではGNSS(GPS)により簡単に求めることができますが、近年までは天体観測や精密時計による方法によっていました。ここでは古い時代の経緯度観測を説明します。

緯度は観測地点からみた天の北極の高度角になり天文緯度といいます。天文学では高度角は単に高度といい地平線から天頂に向かってはかった角度です。北極星はほぼ天の北極の位置にあり地球から400光年もはなれたところにあるので地球上どの位置から見ても方向線は平行です。したがって北極星の高度がおおよその緯度になります。かつて日本では北極星など恒星の高度を測定し緯度を決定することを北極出地(ほっきょくしゅっち)といいました。[国立天文台:理科年表 丸善 1996 p124]

天頂と天の北極については平家物語、壇の浦の戦いを戯曲化した木下順二作「子午線の祀り」の冒頭と最後に「影身の内侍」(かげみのないし)が読む詞(ことば)によくわかる表現があります。

地球の中心から延びる一本の直線が、地表の一点に立って空を見上げるあなたの足の裏から頭へ突きぬけてどこまでもどこまでも延びて行き、無限のかなたで天球を貫く一点、天の頂き、天頂。

地球を南極から北極へ突き通る地軸の延長線がどこまでもどこまでも延びて行き、無限のかなたで天球を貫く一点、天の北極。 [木下順二:子午線の祀り・沖縄他一篇 岩波文庫 1999 p7、161]

こぐま座は年中、北の空にみえる星座です。こぐま座のアルファ星(2等星)は地球が回転している軸となっている地軸(自転軸)を北に伸ばしていった方向に、たまたま位置しているため北極星とよばれています。北極星は一晩中見ていてもほとんど動きません。北極星を中心にして、すべての星が回っているようですが地球が自転しているので、そのように見えるだけです。しかも北極星も真の北極を中心にして極く小さな円を描き一日で一周しています。また地球の地軸も23.5°の傾きを維持しながら2万6千年を周期として歳差運動という首振り運動をしています。地球の歳差運動はギリシャの天文学者ヒッパルコス(Hipparchus BC190頃〜BC120頃)によって発見されています。このような現象があるので北極星の高度を観測地点の緯度とするには厳密さを欠きます。船舶では六分儀などによる恒星の高度測定で簡易に緯度を求めましたが、陸上での精密な緯度観測では恒星の子午線通過の高度を観測しホレボー・タルコット法(Horrebow-Talcott Method)で求めました。天頂の南北両側にある2個の恒星の高度の差を測定し、あらかじめ観測されている恒星の位置から緯度を求める方法です。天体の位置は赤緯と赤経で表されますが、このうち赤緯により緯度を知ることができます。両恒星の高度の差が小さければ大気の屈折による誤差も少なくなります。また高感度の気泡水準器(タルコットレベル)で観測につかう子午儀の状態を一定時間維持できます。この方法はデンマークのホレボー(Peder Nielsen Horrebow 1679〜1764)が18世紀に考案し1845年、米国とカナダの国境測量では米国陸軍大尉タルコット(Andrew Talcott 1797〜1883、明治時代の文献では「土爾忽」)によって有効に利用されました。もはやタルコット法は使われていません。[前田憲一:地球の物理 恒星社 1959 p294−295]

経度は原理的には太陽や恒星が基準地点、たとえばグリニッジ天文台を通過した後、観測地点を通過するまでの時間から算出できます。24時間が360度、1時間あたり15度に相当しますが正確な時刻の測定が必要になります。グリニッジで太陽が真南に来るとき(正中または南中といい、正確には太陽がもっとも高い位置にきた時刻)、正午の12時になっている時計をそのまま観測地点にもっていき南中の時刻をはかるとグリニッジとの差ができます。グリニッジよりも早ければ東経、遅ければ西経になります。この時差に15度を掛けると経度が求められます。太陽の南中時刻は17分以下の均時差という一年を周期とする季節変化がありますが計算で補正できます。また太陽は大きく眩く輝き観測しにくいので実際は恒星を子午線面内にしか動かない子午儀によって観測しました。星は毎日約4分ずつ早く南中するので23時間56分4秒を360度に相当するとして計算しなければなりません。以上の方法では極めて正確な時計が必要になります。しかし18世紀になるまでは正確な時計は開発されませんでした。

この時期まで精密時計の必要性は古くからオランダのフリシウス(Gemma Frisius Regnier 1508〜1555)が指摘していました。イタリアのガリレオ(Galileo Galilei 1564〜1642、天文学者、物理学者、哲学者) は振り子の長さが振動の周期をきめることに気づき、この着想を引き継いだオランダのホイヘンス(Christiaan Huygens 1629〜1695、天文学者、数学者)は1656年、実用的な振子時計を開発しました。しかし航海で船が揺れると振り子の振幅は乱れるという欠点がありました。

正確な時計が出現するまで、経度測定はあくまで天文学の分野とされてきました。時計の開発と並行して日食や月食を利用する方法が考えられてきました。基準地点での日食や月食が起こる日時は事前に予測できるため、観測地点で食が起きた時刻と、基準地点で予測していた食の時刻の差を得ることで原理的には経度が求められます。しかし日食や月食はそう頻繁に起こるものではなく観測の機会は限られます。また食が起き始める時刻を観測で特定するのは難しく、観測する人の個人差もあるため正確性でも欠点がありました。日食や月食の代わりに頻度の多い木星の衛星の食(衛星「イオ」であれば年間1000回程度)を利用する方法が1611年頃ガリレオにより考案されましたが航海の場合、衛星の観測に忙殺され、また昼間は太陽光にさえぎられて観測できず実用に至りませんでした。

江戸時代の測量家、伊能忠敬(いのう・ただたか 1745〜1818)は全国測量での経度の測定は日食、月食、木星の衛星による食(凌犯「りょうはん」現象)を望遠鏡の先に目盛りをつけた測食定分儀(そくしょくていぶんぎ)で観測し食現象の開始、終了時刻を垂揺球儀(すいようきゅうぎ)で測定し江戸の浅草司天台、大坂の間(はざま)家観測所と比較して時刻差から経度差を求めようとしました。伊能の測量期間中、現場と江戸、大坂で同時観測ができたのは天候などの都合で3回しかなかったようです。結果として経度測定は不成功になり地図の経線は理論値になります。

16世紀初期に月距法(げっきょほう Lunar distance method)の理論がドイツの天文学者ヴェルナー(Johannes Werner 1468〜1522)により提唱されました。月は地球との距離が近いので天球上の移動速度は速く規則的です。月の公転周期は約27.3日であり月が恒星にたいして一時間あたり動く角度は0.55度で一定ですから月と恒星(太陽でもよい)をそれぞれ地球上の観測地点から直線で結んだときの2直線のなす角度(角距離、すなわち「月距」)をはかれば観測地点での正確な時刻が求められます。恒星の相対位置は不変ですから天球は時計の文字盤、月は時計の針に相当するわけです。基準地点での月の位置がわかっているならば観測地点で月がその位置にくる時刻を求めて、その時差から経度が算出できます。ヴェルナーが提唱したのは月の軌道にそって恒星の位置を記録し、そのひとつひとつの星のそばをいつ月が通過するかを向こう何年にもわたって予測するものでした。さらに昼間の太陽と月の位置関係も記録しました。

余談ですが万葉集の歌には月と星の関係がとても美しく描かれています。

天(あめ)の海 雲の波立ち 月の舟 星の林に 漕ぎ隠る見ゆ(万葉集 人麻呂歌集)

月距法は誤差を少なくするため多数の恒星を観測しなければならないことや後処理が複雑で当初、実用とするには欠点がありました。観測値を経度に換算するための「天体暦」はドイツの地理学者、天文学者のマイヤー(Johann Tobias Mayer 1723〜1762)により作成され、スイスの数学者オイラー(Leonhard Euler 1707〜1783)は太陽、地球、月の相対的な動きを表現した数学公式を発表しました。また英国のブラッドリー(James Bradley 1693〜1762、第三代王立天文台長)も月距法を公式化しました。一方、天体の観測器具として1731年、英国のハドレー(John Hadley 1682〜1744)と米国のゴッドフリー(Thomas Godfrey 1704〜1749)は個別に八分儀を開発、発表しました。それまではアストロラーベ、クロススタッフ、バックスタッフのどの装置で天体の高度角を計測していましたが八分儀によって二つの天体の相対的な距離(角度)を知ることが可能になりました。八分儀はその後改良され望遠鏡や大きな目盛り環のついた六分儀が登場します。

月距法以外にも航海では、羅針盤によってわかる地磁気の北極と、天文観測による真北との差、すなわち磁気偏差から経度を知る方法や、また海上の要所々々に信号船を停泊させ定めた時刻に空砲を放ち船上で聴取した時刻の差から距離を得て経度を算出するという方法などが提唱されました。

海洋立国は経度測定の必要にせまられ、フランスでは1666年にパリ天文台を、英国では1675年にグリニッジ天文台が創設されました。ともに王立天文台です。フランスではオランダのホイヘンスが科学アカデミーの創立委員として、またイタリアのカッシーニ(Jean-Dominique Cassini 1625〜1712)が天文台長に招聘されました。英国ではフラムスティード(John Flamsteed1646〜1718)が天文台創設を進言して自ら初代台長(Astronomer Royal)に就任しました。

15世紀から17世紀前半の大航海時代には航海の増加拡大とともに船舶の位置が不確かなため海難事故が多発したり、また測定位置が間違って記録されてしまい、実際には存在しない幻の島「疑存島」(ぎぞんとう)が海図の上に描かれることもありました。1707年10月シャベル提督(Cloudesley Shovell 1650〜1707 )の率いる艦隊、旗艦アソシエーション号はじめ5隻はジブラルタルでフランス艦隊をやぶり帰還途中、英国南西端のランズエンド岬の先のシリー諸島の岩場で座礁しました。5隻のうち4隻まで沈没し乗組員2000人が亡くなりました。生きて岸にたどり着いたのはシャベル提督とほか一名だけでした。この海難事故の原因はシリー諸島付近の経度を読み誤っていたからです。余談になりますがこの遭難を見つけた地元の女性がひん死の提督が指にはめていたエメラルドの指輪を略奪し、命を奪ってしまいました。その女性は死の直前、牧師に告白したそうです。[デーヴァ・ソベル、藤井留美訳:経度への挑戦 角川文庫 2010 p19]

ともあれ、この海難事故をきっかけとして経度の正確な測定は国家の最優先課題となり1714年には英国議会では高精度で経度を測定できる方法の考案に懸賞金を与えるという経度法(Longitude Act)が制定されました。英国・ 西インド諸島間の航海で経度誤差が1度以内ならば1万ポンド、40分以内なら1万5千ポンド、30分以内なら2万ポンドの懸賞金を与えるというものでした。

ニュートン(Isaac Newton 1643〜1727)やハレー(Edmond Halley 1656〜1742、第2代王立天文台長)などをメンバーとする「経度評議員会」を設立しましたが結論としては「月距法」の改良という課題のほか、海上の揺れの中でも秒単位の精度が確保される時計があれば正しい経度が測定できることを明らかにしました。正確な時計を用いる測定法は船舶が出港時に母港の時間に時計を合わせ、その時計が正午を指したときの太陽の高度を測定することで経度が測定できるという原理です。

しかし月距法ではなお欠点が多く、その改良とともに精密時計の開発も行われました。ついで実用として簡易に経度を求めるためクロノメーターといわれる時計が開発されることになります。以降、電信の普及などとあいまって観測地点と経度の既知点との間で相互に連絡をとりあいクロノメーターで測定したり、また複数のクロノメーターで経度を求めました。

日本での本格的な経度測定は実用となるクロノメーターが完成してからのことです。江戸末期の咸臨丸などでの遠洋航海では月距法やクロノメーターによる経度測定は行われていましたが地図測量のため陸地の特定地点の正確な経度測定は明治維新後です。1871年(明治4)長崎とウラジオストック間の通信線が布設され国際電信網に結ばれましたが1874年(明治7)金星太陽面通過観測に来日中のダビッドソン(George Davidson)とチットマン(Otto H.Tittmann)により電信を利用して長崎・東京間の経度測量が行なわれました。電信で両所の時計をあわせておいて、おなじ恒星の子午線通過を両所で観測し測定時間差から経度差をもとめました。

クロノメーターの歴史

英国では1714年に時計職人サッカー(Jeremy Thacker 生没年不明)は真空の容器に固定した時計を考案しクロノメーター(Chronometer)と名付けました。この呼称は現在も高級精密時計の代名詞のようにつかわれています。ついで、おなじく英国の時計職人ハリソン(John Harrison 1693〜1776)はハレ―の助言や当時著名な時計職人グラハム(George Graham 1673〜1751)の支援も得て、1735年まずH1型(1世代目)といわれる船舶用時計を完成させました。木製の歯車で重さは34キログラム、一辺1.2メートル立方の箱に納めたものでした。これをもとに1736年には経度評議員会から開発資金を得て、つぎつぎ改良した時計を考案しました。つぎのH2型は真鍮製で39キログラムありました。この頃からハリソンは息子のウイリアム(William Harrison 1728〜1815)とともに開発に専念し1757年になってH3型を完成させました。温度変化に対応できるもので重さも27キログラム、大きさは高さ60、幅30センチメートルで小型化をはかっています。ハリソンは金属の伸縮を補正するためのバイメタル、振り子時計の振動を持続させるためのグラスホッパー(バッタ)といわれる脱進機、さらに振り子に替わるシーソー状のスプリングのなどの新技術を採用しました。

ハリソンによる時計の開発と並行して月距法の改良も、のちに第5代王立天文台長になるマスケリン(Nevil Maskelyne 1732〜1811)より行われハリソンの最大のライバルになっていました。しかし計算に数時間かかるという欠点もありました。マスケリンはグリニッジ天文台にに本初子午線を設定して、これを基準として月と太陽、月と星の距離を年鑑に収録しました。これによって世界の航海者はグリニッジを基準として経度を図るようになりました。それまでは出発地や目的地を基準として東、西に何度離れているかという表現にとどまっていました。またマスケリンンは1761年、金星の太陽面通過現象を観測するためセント・ヘレナ島に向かいましたが、その途上で月距法による経度測量の正確さを確かめました。これより前、1677年にはハーレーもセント・ヘレナ島で水星の太陽面通過を観測しています。1761年の金星の太陽面通過現象は英国の天文学者メーソン(Charles Mason 1730〜1787)とディクソン(Jeremiah Dixon 1733〜1779)も喜望峰で観測しています。この2人は数年後米国ペンシルベニア州とメリーランド州などの境界線(メーソン・ディクソン線)を測量しています。[デーヴァ・ソベル、藤井留美訳:経度への挑戦 角川文庫 2010 p132、191]

1761年にはハリソンによってH4型(4世代目)といわれる直径13センチメートルの携帯用時計が完成し実航海で正確さの立証されました。しかしH4型が偶然の産物でないことを立証するために経度評議員会は時計職人のケンドール(Larcum Kendall 1721〜1795)に正確な複製を作らせることになりました。複製品はK1型と呼ばれましたが経度評議員会はH4型と同等と判断しクック(James Cook 1728〜1779、英国海軍士官)によって1768年から1775年にかけてエンデバー号とレゾリューション号での二度の太平洋航海で検証されることになりました。ケンドールはその後、K2型、K3型の改良品を製作しています。

しかしこの時点では異論などありハリソンには懸賞金の一部しか授与されませんでしたが、さらに改良したH5型を1772年、国王隣席のもとで実験し最終的に賞金全額を獲得しました。その後クロノメーターは時計職人のマッジ(Thomas Mudge 1715〜1794)、アーノルド(John Arnold 1736〜1799)、アーンショウ(Thomas Earnshaw 1749〜1829)などによって改良され大量に生産されるようになりました。クロノメーターが月距法に勝利をおさめてからも船上でクロノメーターの精度を確認するため、ときおり月距法による観測も行われました。[デーヴァ・ソベル著・藤井留美訳:経度への挑戦 角川文庫 2010 p1−212]

1971年に南大西洋の英国領アセンションで発行された切手にはハリソンのH1型がまた1969年に南太平洋の英国領ピトケアン島で発行された切手にはケンドールの1771年製K2型のクロノメーターが描かれています。ピトケアン島は1789年に起こったバウンティ号(Bounty)の反乱の際、乗組員が持ちだしピトケアン島に保管されていたもので"The Bounty Chronometer"と呼ばれています。現在、同種のものがグリニッジの国立海事博物館にあります。また1993年英国で発行されたハリソン生誕300年記念切手4種にはH4型クロノメーターが図案になっています。内部構造や装飾までわかります。

開発当時のクロノメーターは一隻の船に複数個載せて確認をしました。測量船では40個も載せることがありました。世界各地の経度を計測するため1831年に出航した船長フィッツロイ(Robert FitzRoy 1805〜1865、英国海軍)指揮下のビーグル号(Beagle)には22個のクロノメーターが載せられました。この航海にはダーウィン(Charles Robert Darwin 1809〜1882、英国の生物学者、地質学者)も同行しました。

本初子午線と標準時の制定

本初子午線(Prime Meridian)というのは地球経度0度の子午線をいうのですが1884年(明治17)米国ワシントンで開かれた万国測地会議で世界的に英国の旧グリニッジ天文台の子午環を通る子午線と決められ現在はこれに従っています。この万国測地会議には日本政府委員として菊地大麓(きくち・だいろく 1855〜1917 東京帝国大学総長、文部大臣を歴任)が出席しました。しかし本初子午線決定後もフランスだけは納得せず、1911年(明治44)までグリニッジから2度以上東にあたるパリ天文台を基準にしていました。日本では明治維新以前には京都を「中度」とよび本初子午線(中央経線)とされていました。伊能忠敬による地図もこの中度を採用したものが見られます。維新後は一時、東京になり、明治初期に作成された地図上の経線表示は京都、東京、グリニッジを本初子午線とするものが混在していたようです。ただし海図だけはグリニッジで統一されていました。[内務省:内務省年報 明治十八年報告(復刻版 三一書房 1984 p287)]、[デーヴァ・ソベル、藤井留美訳:経度への挑戦 角川文庫 2010 p192]

東京の本初子午線もあちこち移動しました。明治初期は現港区虎ノ門のホテルオークラ付近で当時、赤坂区溜池葵町三番地にあった内務省地理局測量課に設定され、1882年(明治15)からは皇居東御苑天守台跡の内務省地理局天文台になりました。[荒井郁之助:日本ノ地學經度 東京地學協會報告 第七巻一号 1885 p17−32][藤井陽一郎:内務省地理局の三角測量事業 「科学史研究」70号 日本科学史学会 1964 p74−75]

当時の内務省告示によれば

經度ノ儀ハ東京赤坂區溜池葵町三番地ヨリ起算致處今般舊本丸内天守臺ヲ以テ經線零度ト相改候條此旨告示候事 [内務省告示甲第十六號 明治十五年十二月二十七日 1882]

となっています。天守台を経度0の本初子午線とすると葵町の旧本初子午線は西へ37秒70、グリニッジは西へ139度45分46秒で時間にすると9時間19分3秒09となります。[館潔彦:洋式日本測量野史 三交會誌 第二十二號(須磨漁史により掲出) 陸地測量部 1915 p335]

その後、法律で本初子午線を定めたものは1886年(明治19)の勅令第51号でつぎのとおりです。

朕本初子午線經度計算方及標準時ノ件ヲ裁可シ茲ニ之ヲ公布セシム
 御名 御璽
  明治十九年七月十二日

一 英国グリニッジ天文臺子午儀ノ中心ヲ經過スル子午線ヲ以テ經度ノ本初子午線トス
一 經度ハ本初子午線ヨリ起算シ東西各百八十度ニ至リ東經ヲ正トシ西經ヲ負トス
一 明治二十一年一月一日ヨリ東經百三十五度ノ子午線ノ時ヲ以テ本邦一般ノ標準時ト定ム

[勅令第51号 本初子午線經度計算方及標準時 明治19年7月12日 1886]

1884年(明治17)の万国測地会議の決定により各国の標準時はできるだけ子午線の度数が15度の整数倍位置の地方時を使用することになり日本では東経135度線にあたる明石の時刻が使用されることになりました。いま日本では1886年(明治19)に制定された標準時がただ一つですが、かっては、いろいろあったようです。日清戦争後の1896年(明治29)には台湾、八重山、宮古列島の標準時として東経120度の子午線の時刻を西部標準時(東経135度より1時間遅れ)の名称で採用され、それまでの標準時は「中央標準時」とよばれましたが政治、経済、交通などの都合で1937年(昭和12)に廃止されました。また1919年(大正8)から1945年(昭和20)まで南洋群島の標準時として東経135度の子午線を南洋群島西部標準時、東経150度を同中部標準時、東経165度を同東部標準時とされました。[青木信仰:時と暦 東京大学出版会 1982 p220]、[国立天文台:理科年表 19 丸善 1996 p50]

理科年表には東京の日の出、日の入のほか夜明、日暮の時刻がが各月日ごとに載っています。日の出、日の入の時刻は太陽の上辺が旧東京天文台の地平線に一致する時刻です。また夜明、日暮は海面上の高さをゼロと考えた旧東京天文台で太陽の中心の伏角が7度21分40秒になる時刻ですが、これは寛政暦以後の「明六つ」、「暮六つ」にあたり時代劇でもお馴染みのとおりです。[国立天文台:理科年表 平成12年(机上版)丸善 1999 p3−5]

明石市 標準時子午線標識

地図:須磨

明石市は東経135度の子午線上にあり市街を歩くといたるところに「しごせんのまち」、「日本標準時のまち」という表示がみられます。下水マンホールのふたまで、そのような表示があります。写真は明石天文台近くの天文町二丁目の「子午線交番」の横にある子午線標識ですが標石の最下部には中心線を示す線が彫られています。1910年(明治43)当時の明石郡小学校の教員のみなさんが寄付され、当時の相生町に設置されたものですがその後改測により1928年(昭和3)に現在地に移設されています。標石の表面は「大日本中央標準時子午線通過地識標」と刻字されています。この標石は明石でもっとも古い子午線標識です。

ついで1928年(昭和3)に明石市教育委員会が昭和天皇の御大典記念事業としてあらたな子午線標識が計画され京都大学の天文測量により1930年(昭和5)現在の天文科学館裏の人丸山という小高い丘にある月照寺山門前に設置されましたが1951年(昭和26)の改測で約10メートル現在地に移動しました。「トンボの標識」の愛称がある標柱の高さは7メートルあり柱上部のかごは地球を、トンボは日本の異名である「あきつしま」を象徴しています。

標準時子午線東経135度は天文測量による「天文経度」であって準拠楕円体と日本経緯度原点を基準とした「測地経度」(日本測地系)とは一致しませんでした。2002年(平成14)に経緯度の基準が日本測地系から世界測地系に変更されたため世界測地系の東経135度子午線は日本測地系の東経135度より約260メートル東を通過することになりました。天文経度の東経135度からは約120メートル西になります。以前にくらべて測地経度と天文経度が接近したわけです。

「大日本中央標準時子午線通過地識標」は天文町の大蔵交番のすぐ横にあるのですが、この交番は通称「子午線交番」といい、金ぴかの表札も右扉の右上に掲げられています。交番の建物も天文台のような形で地元のひとに親しまれています。

天文科学館交番から「子午線交番」へ下ってくる途中に山陽電鉄の人丸駅があります。この駅のプラットホームにも135度の子午線が横断しておりタイルに標示があります。普通列車しか止まりません。

明石市の中心部には「魚の棚」とよばれる魚屋街があり新鮮な魚介類を買い求める人でいつも賑わっています。「魚の棚」の入り口角に「人丸」という菓子屋(078−912−2020)があり「子午せん」という煎餅が売られています。煎餅に砂糖で日本地図と子午線が描かれています。英語の説明もついていました。

三鷹国際報時所

地図:吉祥寺

国立天文台構内の西端に寺田寅彦の書と伝えられる「三鷹国際報時所」と書かれた門柱が建っています。周囲は雑草に覆われ建物は消滅しています。1923年(大正12)、文部省測地学委員会に国際報時所が設置され三鷹構内で国際報時の受信を開始、翌年には時刻観測と報時信号の発信が行われました。子午儀で得られた正確な時刻をリーフラー振子時計という標準時計に移し、さらに発信時計に同期させて報時されました。[東京天文台:東京大学東京天文台の百年 東京大学出版会 1978 p58][東京帝國大學:東京帝國大學學術大觀 p543−550]

国立天文台本館の裏には日本中央標準時決定用の子午儀の台座が「日本の時刻決定の基準点」として残置されています。1924年(大正13)から1955年(昭和30)まで使用され、天文経度は9時18分10秒108(東経139度32分31秒62)でした。

リーフラー振子時計はドイツのジグムント・リーフラー(Sigmund Riefler 1848〜1912)が1891年(明治24)に開発した精度の高い天文時計です。時計全体は下部の鉄の筒と上部のガラス容器で密閉されており振子の振動が空気抵抗によって減衰するのを防ぐため減圧して使用され信号は電気的に取り出します。クレメンス・リーフラー社(Clemens Riefler)で製作され最高の日差50分の1秒に達しました。

1943年(昭和18)には高さ60メートルの報時用のアンテナ鉄塔に軍用機が接触、墜落する事故もありました。1948年(昭和23)、測地学委員会は解消し三鷹国際報時所は東京天文台に併合されました。1951年(昭和26)からは標準時計はリーフラー振子時計よりも優れた水晶時計群にかわり、これに合わせた小金井の電波管理総局(現情報通信研究機構)にある水晶時計によって発信されることになり時計の校正も子午儀に替わり写真天頂筒PZT(Photographic Zenith Tube)がつかわれました。

PZTは天頂付近を通過する恒星の位置を写真撮影する望遠鏡です。鉛直に固定した望遠鏡の対物レンズを通過した光線が水銀面で反射されて対物レンズのすぐ下においた乾板上に像を結びます。PZTは1952年(昭和27)から1988年(昭和63)までつかわれました。天頂を通過する恒星を毎日(晴天日)観測し地球の自転の遅れ、ふらつきを観測していました。天頂附近を観測するため望遠鏡の駆動機構はありませんが撮影される恒星の像を4点、撮るため写真乾板を90度づつ3回、回転させる機構と露出中日周運動に合わせて恒星を追尾する乾板移動機構があります。この望遠鏡の筒は熱膨張係数が小さい陶器でつくられています。

情報通信研究機構の原子時計

地図:立川

1秒の長さの定義は、かつては地球の自転や公転にもとづいた天文学からの定義が採用されていましたが1967年(昭和42)から原子放射の周波数にもとづく量子力学からの定義に改定されました。「セシウム133の基底状態の2つの超微細準位間の遷移に対応する放射の9,192,631,770周期の継続時間」となっています。

原子時計によって刻まれる時系は原子時とよばれます。1958年(昭和33)1月1日0時において天文時系である世界時(UT2: Universal Time 2)と原点を一致させ国際原子時(TAI: Temps Atomique International、 英語ではInternational Atomic Time)がはじまりました。国際原子時は国際度量衡局(BIPM:Bureau International des Poids et Mesures)が世界中の原子時計の時刻を加重平均することによって決定します。

日常の生活は太陽の動きと密接に関係があります。地球の運行にもとづく天文時系である世界時に準拠するよう調整された原子時系で協定世界時(UTC: Coordinated Universal Time)が採用されています。地球の自転速度は原子時のもとになるセシウム原子の振動数とはまったく関係がありません。自転速度は潮汐摩擦などの影響によって変化するため世界時と協定世界時とは一致しないのは当然です。そこで協定世界時に、うるう秒とよばれる1秒を挿入または削除して世界時との差が0.9秒以上にならないように調整しています。うるう秒調整は1972年(昭和47)以降導入され2012年(平成24)までに25回ありました。26回目は2015年(平成27)は7月1日にありました。同日、午前8時59分59秒の後、午前9時前に「午前8時59分60秒」を追加して1日を1秒長くしました。標準電波などを通じて修正されます。うるう秒の調整は国際機関である国際地球回転・基準系事業IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)によって決定され各国に通知されます。

日本標準時(JST:Japan Standard Time)は日本が東経135度にあるため協定世界時より9時間進んでいます。小金井市にある独立行政法人情報通信研究機構(NICT:National Institute of Information and Communications Technology)では国際的に定義された「秒の定義」にしたがって長期間(5日以上)の周波数安定度にすぐれたセシウム原子時計18台と短期間(5日以内)の周波数安定度にすぐれた水素メーザー4台を1時間に1回、平均、合成し協定世界時(UTC−NICT)を生成し、これに9時間進めたものを日本標準時としています。協定世界時(UTC)と日本標準時が生成した協定世界時(UTC-NICT)との差がプラスマイナス100億分の1秒以内を目標として調整、管理されています。

日本標準時は長波帯の標準電波 (JJY、無線局のコールサインで情報通信研究機構の登録商標)やインターネット、電話回線を通じて供給されています。最近は水素メーザー原子時計を使用することで一層精度の高い時刻になっています。標準電波は1999年(平成11)から福島県田村市と双葉郡川内村境界の大鷹鳥谷山(おおたかどややま、標高794.0メートル)から40キロヘルツで発信され、これに加えて2001年(平成13)からは佐賀市と福岡県糸島市境界の羽金山(はがねやま、標高900.3メートル)の山頂から60キロヘルツで発信されています。標準電波には時、分、1月1日からの通算日、西暦年の下2桁、曜日などのコードが含まれており時刻を自動修正する機能をもった電波時計などに利用されています。[情報通信研究機構:日本標準時グループ(広報資料)2012 p1〜4]

情報通信研究機構の次世代時刻周波数標準グループでは次世代原子時計のひとつである光格子時計の研究開発を行っています。 光格子時計は複数のレーザー光から空間的な干渉縞を形成させ光格子を形成します。形成された光格子の中に絶対零度近くまで冷却されたストロンチウム(Sr)原子を閉じ込めます。そこに光を照射しストロンチウム原子が吸収・放射する光の周波数を測定してその周波数を時計に利用します。 理論的には、この光格子時計は300億年に1秒以下の誤差のものまで可能です。現在のセシウム原子時計よりも千倍精度が向上することになります。この光格子時計の技術開発によって将来は1秒の定義が変わるかもしれません。

光格子時計をはなれた2地点に設置し2台の時計の時間遅れを高精度に測定することで2地点間の標高差を測定することが可能です。アインシュタインの一般相対性理論では地球上の標高が低い場所ほど重力が大きく時間の進み方がごくわずか遅くなります。この理論にもとづき標高差を求めます。水準測量は長距離では累積誤差が生じますが、光格子時計によれば累積誤差は生じません。また長期間連続計測も可能です。

古い時刻表示と午砲(号砲)

地図:吉祥寺

報時とは音、光、電気、電波などの手段により一般に時刻を知らせることで古くは鐘や太鼓の音によっていました。中国では紀元前4世紀頃から漏刻(ろうこく、漏剋とも)といわれる水時計が利用されていました。日本では7世紀頃から漏刻が現れます。飛鳥地方の「水落遺跡」では漏刻の遺構が発見されています。日本書紀によると660年(斉明天皇6年)には

皇太子(ひつぎのみこ)、始めて漏剋(ときのきざみ)を造り給ひて、民をして時を知らしめ給ひき。

とあり、また671年(天智天皇10年)には

漏剋を新しき臺(うてな)に置き、始めて候時(とき)を打ちて鐘(かね)鼓(つづみ)を動(なら)しき。始めて漏剋を用ゐしなり。此の漏剋は、天皇(すめらみこと)の皇太子にましましし時、始めて、親(みづから)製造(つく)り給ひしなり、云云(しかしか)。  [武田祐吉編:訓読 日本書紀 臨川書店 1988 p564、588]

とあります。

清少納言の枕草子には「時司などは、ただかたはらにて、鼓の音も例のには似ず聞ゆる」(能因本一六五段・故殿の御服)、「時丑三つ、子四つなど、時の杭さす音など、いみじうをかし。子九つ、丑八つなどこそ、里びたる人は言へ、すべて四つのみぞ杭はさしける」(能因本二六九段、時奏)とあります。時司(ときづかさ)は中世以降、天文暦学業務を担当した陰陽寮(おんみょうりょう)に所属して時刻を知らせる役人のことで筒に杭を差し込んで音をだす様子が描かれています。1872年(明治5)までは宮城内の太鼓櫓で時報太鼓がつかわれていました。

日本の時刻は古くは一日を12等分して夜半から十二支を順にふりあて「子(ね)の刻」、「丑(うし)の刻」・・・などといい、それぞれの刻(約2時間)をさらに4等分して「子の一刻」、「子の二刻」といいました。「草木も眠る丑三つ時」というのは「丑の三刻」(午前2時頃)のことです。またそれぞれの刻の中心にあたる時刻を「正刻」(しょうこく)と呼んでいました。いまの「正午」という呼び方は「午(うま)の正刻」の意味です。

江戸時代は日のあるうちが昼で、日が暮れれば夜とし昼夜をそれぞれ6等分し、これを一刻(いっとき、約2時間)として時間をはかる不定時法を採用していました。したがって季節によって現在の時刻と当時の時刻表示が異なります。昼夜とも順に、六ツ、五ツ、四ツ、九ツ、八ツ、七ツ、六ツと数えました。明け六ツ、朝五ツ、昼四ツ、真昼九ツ、昼八ツ(「おやつ」の時刻)、夕七ツ、暮れ六ツ、宵五ツ、夜四ツ、真夜九ツ、夜八ツ、暁七ツ、明け六ツの順になります。たとえば「明六ツ」といえば午前4〜6時で季節によって2時間程度の巾がありました。「朝四ツ」ならば午前9〜10時頃、「夜四ツ」で午後9〜10時頃で1時間程度の巾があります。

古くから方角も十二支をつかって表していました。北を子(ね)、南を午(うま)、東を卯(う)、西を酉(とり)と呼んでいました。北東にあたる方位は丑(うし)と寅(とら)の間で艮(うしとら)といい陰陽道では「鬼門」(きもん)といい万事に忌み嫌う方角とされました。

1871年(明治4)以来、太政布告により皇居内本丸で正午に号砲を放って報時とすることになり「ドン」と愛称されていました。最初は兵部省が行っていましたが1875(明治8)には東京鎮台、その後は衛戍(えいじゅ)兵、近衛師団が受け持っていました。

明治四辛未年八月 太政官 第四百五十三 九月二日(布)
舊本丸ニ於テ來ル九日ヨリ晝十二字大砲一發ツ、毎日時號砲執行候條爲心得相達候事
[内閣官報局:明治四年法令全書 1888 p337]

明治中期の報時事業は内務省地理局が担当しましたが1888年(明治21)以降は東京天文台(現国立天文台)に移され陸軍省の依頼によって毎日正午に号砲用のクロノメーターの比較を行い、また逓信省の求めにより正午の通報を行っています。[東京天文台:東京天文台90周年誌 1968 p6]

皇居内本丸の号砲は1922年(大正11)には東京市が引き継ぎ1929年(昭和4)からはサイレンにかわりました。各地方都市も1879年(明治12)から午砲による報時を行い、のちにサイレンからラジオやテレビによる放送局の報時になりました。当時の午砲は現在、小金井市にある江戸東京たてもの園の本館裏に保存されています。砲身の長さは約2メートルあります。京都市の午砲はかつて東山七条の新日吉神社に奉納されましたが、いまは台座石だけ残っています。

報時球

地図:長崎西南部

船舶ではかつてクロノメーターを載せ正確な時刻を保持し天体観測により航海中の船舶の位置を知ることができましたが港湾の埠頭に吊るした「報時球」(Time Ball)を正午に落下させ、それを観測することによって正確な時刻を知りクロノメーターの校正をしました。球は紅色に、柱は白色に塗られ普段は球が下に落ちた状態ですが日祭日をのぞき毎日正午の5分前に球を上に引き揚げて落下する瞬間を報時としました。1903年(明治36)には横浜、神戸に報時球が設置されその後、大阪、門司、長崎などの港でも行われたようです。

わたしは英国のグリニッジ、エジンバラとオーストラリアのシドニーで残存する実物を見たことがありますが、いずれも観光、装飾のため残置されているもので日本では見られません。しかし報時球の吊柱基礎と思われる残骸だけが長崎市グラバー園東の高台、鍋冠山の北に残っています。鉄製コンクリート充填、根元直径55、長さ65センチメートルの基礎の一部分です。この残骸が報時球基礎であったことの確証は得られていません。この位置は長崎港を望める高台で、もと長崎報時信号所がありその後、長崎海洋気象台の官舎となり現在は住宅地です。報時球は大正時代初期に設置され昭和初期まで実用に供されていたようです。報時球はもはや、つかわれることはなく近年は標準電波による報時になっています。[青木信仰:時と暦 東京大学出版会 1982 p43−47][朝尾紀幸:観測機器が伝える歴史4 クロノメーターと報時球「水路」151号 日本水路協会 2009.10 p22]

グリニッジ天文台

所在地:Greenwich, London SE10 9NF

グリニッジ天文台は1675年に航海支援を目的に恒星位置の正確な観測を行う王立天文台として設立されました。初代台長はフラムスティード(John Flamsteed1646〜1718)でした。1954年に空気汚染などのため機能停止後、サセックス、ケンブリッジと2度移転、1998年に閉鎖され現在は"Royal Observatory, Greenwich"と呼ばれ博物館をかねた史跡になっています。

経度0度に位置する子午線は現在までにフラムスティード(1676年子午線設定)、ハレ―(Edmond Halley 1656〜1742、1720年天文台長就任、同年子午線設定)、ブラッドリー(James Bradley 1693〜1762、1742年天文台長就任、1750年子午線設定)、エアリー(George Biddell Airy 1801〜1892、1835年天文台長就任、1851年子午線設定)により、それぞれ異なる子午儀の位置に設定されました。

1851年に第7代台長エアリーが天文台本館に新たに子午環を設置し観測を行い、この地点の平均太陽時をグリニッジ平均時(GMT)と定め、その後、1884年米国ワシントンでの万国測地会議で25ヶ国が同意、エアリーの子午環中心線が世界共通の本初子午線(経度0度)となりました。平均太陽時とは真太陽時の平均値と合うように調整された仮想的な時計が刻む時間のことです。

エアリーの子午線設定直前は、ブラッドリーの子午線がグリニッジ子午線であって、この旧子午線の5.8メートル東にエアリーの新子午線が設定されたのですが天体の通過時間の差は50分の1秒であり当時の技術では測定が困難でした。英国測量局(Ordnance Survey)が発行する地図は19世紀初期以降、現在もブラッドリーの子午線を基準としています。写真では中央の三角屋根建屋の下に引かれた黄色の線がエアリーの子午線、その右の屋根瓦が途切れた位置(最右の格子ガラス窓のさらに右)がブラッドリーの子午線です。夜間は三角屋根の建屋上方の垂直面から子午線方向に一致させ北に向け緑色のレーザー光が発射されます。

現在の経度基準は地球重心を原点とする世界測地系(WGS84)によりエアリーの子午線よりも距離で東へ102.478メートル、経度で東へ5秒3101になっています。以前のグリニッジ子午線は、ブラッドリー、エアリーとも本来の本初子午線ではなくなり単なるモニュメントです。

天文台にある角柱の子午線標はブラッドリーの子午儀を整置するため1798年に設置され標柱の上部には指標がありましたが、1851年にエアリーの子午線が設定され、この子午線標は移設もされず不要になりました。1920〜1950年には夜間撮影カメラの支持台として利用されたようです。子午線標はグリニッジ天文台の真北20キロメートル、チングフォード(Chingford)のポールヒル(Pole Hill)といわれる丘にもあります。丘上には地元で「オベリスク」と呼ばれるブラッドリーの子午線標と三角点を兼ねたエアリーの子午線標が置かれています。このHPでは「英国の測量」で説明します。

グリニッジ天文台は子午儀が据え付けられた本館と初代天文台長フラムスティードの住居であった初期のフラムスティード・ハウス(Framsteed House)がひとつの敷地にあります。どちらにも、かつて使用された観測機器が展示されています。

写真上は1765年までフラムスティード・ハウスの八角形の観測室オクタゴン・ルームで使用されていた角型筒の望遠鏡です。望遠鏡の仰角は鏡筒を上下しながら窓際にある梯子の段を利用して調整しました。1995年に再製されたレプリカです。

写真中の四分儀は半径8フィートあり1720年につくられた天文台本館の子午線上壁に装着して使用されました。George Graham、1725年製で第2代台長ハレ―が使用しました。

写真下は10フィートの子午儀でEdward Troughton、1816年製です。この子午儀は1750年に本館に設置されたブラッドリーの子午儀位置に置かれています。

グリニッジは広大な公園になっており芝生の丘陵にある旧王立天文台のほか中国との茶貿易につかわれたカティサーク号、旧王立海軍学校、海事博物館(National Maritime Museum)、マーケットなどあります。海事博物館には1861年(文久1)江戸幕府が英艦隊アクティオン号に測量を許可した際に渡した伊能小図3枚が収蔵庫に保管されていますが、見ることができませんでした。

わたしは2016年5月にグリニッジ天文台へ探訪しました。グリニッジはロンドン市街の南東に位置しテムズ川の南です。市中心部からの交通は地下鉄のバンク(Bank)でDLR(Docklands Light Railway)に乗り換えカティーサーク(Cutty Sark)で降りるのが便利です。

グリニッジ天文台の報時球

所在地:Greenwich, London SE10 9NF

報時球(Time Ball)は1833年、グリニッジ天文台のフラムスティードハウス(Flamsteed House)屋上に設置され、かつてテムズ川を往来する船に時間を知らせるため午後1時に落下しました。正午は天文台の方が観測作業で忙しいからです。現在の報時球は1919年に設置されたもので、いまも観光用として午後1時に落下します。12時55分には準備の合図として、いったん柱の中間点まで上り12時58分には最高位置まで上り13時ちょうどに落下し、いったん中間位置で停止し、その後最低位置に落下します。かつては滑車をつかって引き上げられ人手により落下させましたが1852年以来は標準時計からの信号で制御され、1960年以降は球の引き上げも自動装置で行われています。この報時球、ミニュチュアもあり、1920年頃までは時計屋の店先に置いて市民に正確な時刻を知らせる役目もしたそうです。天文台から時計屋まではStandard Time Company社を介して電信によって通報されました。

報時球にまつわる笑い話です。英国南西部サマセット州のある港町のこと、沿岸警備所には報時球がありロンドンからブリストル経由の電信により操作されていましたが、この警備所が利用されなくなったため電信線も撤去されました。しかし近隣住民は報時球の合図を望んでいたため残留の警備員は事務所の出窓に報時球を置いて毎朝9時に手動で球を落下させていました。不審に思った調査員が尋ねました。「もはや電信がないのに、どうして毎朝9時きっかりが、わかるのかねぇ」、警備員「通り向かいのブラウン商会の大時計が知らせてくれるので・・・・」、そこで調査員がブラウン商会に行って尋ねました。「どうして時計を正確に保ってきたのですか」、ブラウンさん「そりゃ簡単なこと、通り向かいの警備員の報時球が見えるんで・・・・」[デレク・ハウス、橋詰若子:グリニッジ・タイム 東洋書林 2007 p160(簡略して引用)]

エジンバラの報時球、号砲

所在地:Calton Hill & Edinburgh Castle, Edingburgh

エジンバラの景勝地カルトンヒルには1816年に建てられた高さ30メートルの望遠鏡の形をしたネルソン記念塔がありますが、この頂部には報時球の設備がまだ残っています。エジンバラ郊外にはフォース湾(Firth of Forth)がありレイス港(Leith Harbour)の船舶にたいして木製の球を落下させ時報としていました。「エジンバラ城の号砲と同期して」と現地の説明板にありましたがエジンバラ城とカルトンヒルは1.5キロメートルほど離れています。なおエジンバラ城の号砲には時計が設置されています。報時球も号砲も毎日、午後1時に観光客のため作動します。カルトンヒルには天文台もあり現在も建屋は残っていますが、当時は天文台から時報を受信したと思われます。のちほど調べた文献にはカルトンヒルの報時球は1854年にスコットランド担当の王室第二天文官スミス(Charles Piazzi Smith 1819〜1900)によって設置、エジンバラ城の号砲は1861年に設置されたとありました。[デレク・ハウス 橋爪若子訳:グリニッジ・タイム 東洋書林 2007 p140]

ウズベキスタン ウルグ・ベグ天文台の子午線溝

所在地:Ulugh Beg Observatory, Samarqand, Uzbekistan

ウズベキスタンのサマルカンドにあるウルグ・ベグ天文台は15世紀はじめにティムール朝の天文学者ウルグ・ベグによって開設されました。開設後まもなく破壊されましたが20世紀はじめに古文書をもとに発掘されています。同天文台には子午線に沿って幅2メートルの溝が弧状に丘の地下に掘られており、弧の半径は約40メートルあります。子午線上の太陽高度から正確な時刻を算出しました。

グリニッジ天文台の切手

1984年には英国でグリニッジ子午線設定100年記念の切手が発行されました。経度は切手に描かれたグリニッジ天文台の子午儀の中心を通る子午線からの経度差にもとづいて決められています。この子午儀はエアリー(George Biddell Airy 1801〜1892)が7代目のグリニッジ天文台長在任中に製作、設置されました。

また1975年にはグリニッジ天文台、フラムスティード・ハウスの建屋の切手がヨーロッパの建築遺産として発行されました。左塔屋の上に報時球がみられます。フラムスティード(John Flamsteed 1846〜1719)は初代の天文台長です。 ちなみにフラムスティードの後任、2代目の天文台長はハレ―彗星で有名なハレー(Edmond Halley 1656〜1742)です。グリニッジ天文台長は王室天文官(Astronomer Royal)と呼ばれています。 1990年には同天文台の業績を表わすイラストの切手が発行されました。


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