Zeitskalen und die Schaltsekunde
Keine Maßeinheit, sondern drei Skalen: UTC, TAI und UT1 · Größe: ein Zeitpunkt
Am einunddreißigsten Dezember 2016 zeigten die Uhren des Internationalen Erdrotationsdienstes 23 Uhr 59 Minuten 60 Sekunden — eine Zeit, die es an gewöhnlichen Tagen nicht gibt. Die Sekunde wurde eingefügt, weil die Erde bis zu jenem Tag fast sechs Zehntel einer Sekunde hinter den Atomuhren zurückgeblieben war; ohne die Einfügung wäre die Abweichung über die vereinbarte Schwelle getreten. Seither hat es keine Einfügung mehr gegeben: der Planet hat unerwartet beschleunigt, und ernsthaft erörtert wird nun der umgekehrte Schritt — eine Sekunde, die nicht hinzuzufügen, sondern zu streichen wäre.
Ordnen lässt sich das nur, wenn man drei Dinge unterscheidet, die der Alltag mit einem Wort «Zeit» benennt. TAI ist die Atomskala, die gleichmäßig läuft und sich um den Planeten nicht kümmert; UT1 ist der Drehwinkel der Erde selbst, also eine astronomische Erscheinung mit eigenem Eigensinn; UTC aber ist die Skala des Kompromisses: sie läuft in Atomsekunden und erhält von Zeit zu Zeit eine ganze eingefügte, um sich vom Planeten nicht weiter als neun Zehntel einer Sekunde zu entfernen. Die erste lässt sich nicht nachstellen, die zweite nicht vorhersagen, die dritte wird durch Beschluss eines Gremiums festgesetzt und im Bulletin gedruckt.
01 · Definition
Die Internationale Atomzeit TAI setzt sich aus den Anzeigen von etwa zweihundertfünfzig Atomuhren zusammen, verteilt über die nationalen Laboratorien, und läuft in SI-Sekunden ohne eine einzige Korrektur. Die Weltzeit UT1 ist durch den Drehwinkel der Erde bestimmt und ändert daher ihren Gang mit dem Planeten. Die koordinierte Weltzeit UTC unterscheidet sich von TAI um eine ganze Zahl von Sekunden und wird durch Einfügungen, die der Internationale Erdrotationsdienst ansagt, nahe bei UT1 gehalten.
Der Gedanke hinter UTC ist es, Unvereinbares zu verbinden: ihre Sekunde ist atomar, gleichmäßig, tauglich für Physik und Nachrichtentechnik, ihre Anzeige aber astronomisch, an Tag und Nacht gebunden. Die Verbindung wird mit einem Bruch erkauft: alle paar Jahre kommt eine zusätzliche Sekunde in die Skala, die Minute enthält dann einundsechzig Sekunden, und der Stempel 23:59:60 wird rechtens. Daher ist UTC die einzige der drei Skalen mit Zeitpunkten, die die gewöhnliche Tageszählung nicht ausdrücken kann.
Die Schwelle, jenseits derer eine Einfügung angesetzt wird, beträgt neun Zehntel einer Sekunde dem Betrage nach, und sie ist nicht aus physikalischen Gründen gewählt, sondern als Kompromiss zwischen Astronomen und Nachrichtentechnikern, geschlossen im Jahr 1972. Der Dienst verfolgt die Differenz UT1 − UTC mit Radiointerferometrie und Satellitenbeobachtung und veröffentlicht seinen Beschluss im Bulletin C — zweimal im Jahr, ein halbes Jahr vor dem möglichen Termin, der entweder auf das Ende des Juni oder auf das Ende des Dezember fällt.
UTC lässt sich mit keinem Gerät prüfen, denn einen wahren Wert hat sie gar nicht: TAI verhält sich wie eine Einheit, UT1 wie eine Erscheinung, UTC aber wie eine Vereinbarung, und ihre Anzeige wird angesagt, nicht gemessen. Die eigene Uhr dagegen lässt sich mit ihr auf Nanosekunden vergleichen, denn die Bulletins des Dienstes geben an, um wie viel die Anzeige jeder nationalen Skala von der vereinbarten abweicht.
Die obere Treppe ist der Versatz TAI − UTC, der in ganzen Sekunden wächst; die untere Säge ist die Differenz UT1 − UTC, die mit der zurückbleibenden Erde abwärts kriecht und bei jeder Einfügung um eine Sekunde nach oben springt. Die roten Striche unten bezeichnen die Schwelle von neun Zehnteln: sobald die Säge sich ihr nähert, setzt der Dienst eine neue Einfügung an, und beide Linien treten zugleich einen Schritt.
Die gestrichelte Linie ist die Atomskala, in der jede Sekunde der vorigen gleicht; die wellige Linie ist die Drehung der Erde, verlangsamt durch Gezeitenreibung und dabei schwankend, weil Wasser und Luft umverteilt werden und selbst wegen der Bewegungen im flüssigen Kern. Die roten Striche sind die Zeitpunkte, an denen der Dienst eingreifen musste. Gerade weil die zweite Linie unvorhersehbar ist, lassen sich Einfügungen nicht auf ein Jahrzehnt im Voraus ansagen: sie werden ein halbes Jahr vorher nach Beobachtungen festgesetzt.
02 · Umrechnung
Ein Zeitpunkt in verschiedenen Skalen
Geben Sie einen Zeitpunkt in beliebiger gewohnter Form ein — als Dezimaljahr, als Julianisches Datum, als Zählung der Sekunden seit dem Beginn der Unix-Epoche — und das Blatt zeigt, wie derselbe Zeitpunkt in den übrigen Skalen aussieht und welche Versätze an jenem Tag galten.
Die Übergänge zwischen den Atomskalen sind auf die Nanosekunde genau, da sie durch Konstanten festgelegt sind: TT unterscheidet sich von TAI um 32,184 s, die GPS-Skala um genau 19 s. Nur die Zeile mit UT1 ist näherungsweise: sie wird dem Bulletin A entnommen und für die Zukunft als Vorhersage gegeben.
Die Zählung der Sekunden im POSIX-Standard ist so eingerichtet, dass ein Tag stets genau 86 400 davon hat, und für eine eingefügte Sekunde bleibt darin nichts übrig: das System wiederholt entweder dieselbe Anzeige zweimal oder stellt die Uhr zurück. Wegen dieser Kleinigkeit fielen im Juni 2012 die Server der Hälfte der großen Dienste aus, und mehrere Unternehmen dehnen die zusätzliche Sekunde seither über einen ganzen Tag, indem sie sie in dünner Schicht über ihre Uhren verteilen.
| Wert | Anmerkung | ||
|---|---|---|---|
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03 · Größenordnungen
logarithmische Skala: von der Nanosekunde bis zu fünf Stunden04 · Messgeräte
Womit die Skalen gehalten und womit sie geprüft werden
Eine Wolke gekühlter Atome wird nach oben geworfen und zweimal durch denselben Resonator geführt — beim Aufstieg und beim Fall —, was die Übergangsfrequenz bis zur sechzehnten Stelle zu messen erlaubt. Solche Primärnormale geben die Länge der Sekunde vor und führen keine Zeitanzeige: man schaltet sie für einige Tage ein, um den Gang der übrigen Uhren zu prüfen.
Der Maser hält seine Frequenz auf Zeiträumen von einer Stunde bis zu einem Tag merklich gleichmäßiger als die Fontäne, driftet aber langsam zur Seite, und darum dient er in den Laboratorien als Hüter der Skala und nicht als Frequenznormal: sein Gang wird alle paar Tage mit einem Primärnormal verglichen. Es sind die Maser, die jene fortlaufende Anzeige liefern, aus der TAI später zusammengesetzt wird.
Zwei Antennen auf verschiedenen Kontinenten empfangen das Rauschen ein und desselben Quasars, und der Unterschied in der Ankunftszeit des Signals verrät die Ausrichtung der Erde gegenüber fernen Quellen. Genau so wird UT1 gemessen, denn mit keiner Uhr lässt sich der Drehwinkel des Planeten erfahren — er lässt sich nur beobachten, und der Dienst tut das rund um die Uhr.
Jeder Satellit trägt Atomuhren an Bord, und ein Empfänger, der vier Signale gefangen hat, stellt nicht nur seinen Ort wieder her, sondern auch die Zeit auf einige zehn Nanosekunden genau. Übertragen wird dabei eine eigene Skala: das GPS-System hat überhaupt keine Einfügungen, es steht genau neunzehn Sekunden von TAI entfernt, und die gegenwärtige Differenz zu UTC läuft in einem eigenen Feld der Satellitennachricht mit.
05 · Schreibregeln
Ein Zeitstempel ohne Skala ist kein Zeitstempel
Die Namen der Skalen schreibt man in Großbuchstaben ohne Punkte und ohne Zwischenräume, und der Anzeige selbst fügt man stets hinzu, in welcher Skala sie genommen ist: den Buchstaben Z oder einen Versatz in der Schreibweise nach ISO 8601, einen eigenen Vermerk TAI oder GPS, wenn die Zeit atomar ist. Differenzen von Skalen schreibt man mit Vorzeichen und in Sekunden, wobei die Skala zuerst steht, von der abgezogen wird.
Die erste Schreibweise ist unmöglich, weil die Einfügung am Ende des Tages nach UTC erfolgt, in der Moskauer Zone aber derselbe Augenblick auf drei Uhr nachts fällt und der Stempel dann 02:59:60 lautet. Die zweite setzt ein Gleichheitszeichen zwischen die Skala und die historische mittlere Zeit des Greenwicher Meridians, die in der Metrologie längst nicht mehr gebraucht wird. Die dritte verwechselt die Richtung der Subtraktion: die Atomskala läuft voraus, nicht hinterher. Die vierte kann in einem Bulletin überhaupt nicht vorkommen, da der Dienst verpflichtet ist, eine Sekunde einzufügen, lange bevor die Differenz einen solchen Wert erreicht.
06 · Benachbarte Skalen
Daneben stehen alle Skalen, die dieselbe Zeit von anderen Anfängen oder in einem anderen Bezugssystem zählen: die terrestrische Zeit TT, mit der man Ephemeriden rechnet, die Atomskala der Satellitensysteme und die barycentrische Koordinatenzeit, die berücksichtigt, dass Uhren auf der Erde anders gehen als im Massenmittelpunkt des Sonnensystems.
ohne Einfügungen und Korrekturen
eine beobachtete Erscheinung
die Skala der Ephemeriden
Von den Datenblättern von Simetrium stehen daneben Sekunde, die allen drei Skalen die Einheit vorgibt, Tag und Stunde, wo dieselbe Ungleichförmigkeit der Drehung von einer anderen Seite sichtbar wird, und Zeitrechnung, bei dem nicht die Einheiten, sondern die Nullpunkte verschieden sind.
07 · Historischer Teil
Die Sekunde, die man erst erfand und nun abschafft
Louis Essen und Jack Parry bauten im National Physical Laboratory die erste Caesiumuhr und entdeckten etwas Unerfreuliches: das Gerät erwies sich als beständiger als das, woran man es prüfen wollte. Von diesem Augenblick an hörte die Erde auf, das Zeitnormal zu sein, und wurde zum Gegenstand der Beobachtung; acht Jahre später definierte man die Sekunde über die Frequenz des Caesiumübergangs neu.
Die erste Fassung von UTC passte sich der Erde anders an: einmal im Jahr sagte man eine Korrektur der Frequenz selbst an, sodass die Sekunde der Skala absichtlich von der SI-Sekunde abwich, und überdies verschob man die Anzeige von Zeit zu Zeit um Zehntel. Den Navigatoren kam das entgegen, den Physikern nicht, und man gab die dehnbare Sekunde auf mit dem Eingeständnis, ein seltener Bruch sei besser als eine dauernd falsche Einheit.
Vom ersten Januar 1972 an lief UTC in gleichmäßigen SI-Sekunden, genau zehn hinter der Atomskala, und erhielt das Recht auf Einfügungen. Die Schwelle von neun Zehnteln einer Sekunde wählte man als Mitte zwischen den Forderungen der Seefahrer, die eine astronomische Anbindung brauchten, und denen der Nachrichtentechniker, die Stetigkeit brauchten.
Die siebenundzwanzigste Generalkonferenz für Maß und Gewicht beschloss, die Schwelle bis spätestens 2035 auf null zu bringen, also auf Einfügungen zu verzichten. Der Grund liegt nicht in der Bequemlichkeit der Programmierer, sondern darin, dass die Erde zu beschleunigen begonnen hat: seit 2020 wurden mehrfach Rekorde kurzer Tage gebrochen, und statt der gewohnten Einfügung könnte erstmals die Streichung einer Sekunde nötig werden — darauf ist kein System der Welt vorbereitet.
Eine Skala, deren Anzeige angesagt und nicht gemessen wird
Zu jeder Größe in diesem Katalog gibt es ein Gerät, das sagen kann, wie groß sie ist, und allein UTC hat ein solches Gerät nicht und kann keines haben. Atomuhren messen Intervalle, Interferometer messen die Drehung der Erde, die Frage aber, ob am Ende des Juni eine Sekunde einzufügen sei, entscheiden Menschen und drucken es im Bulletin, denn die Schwelle von neun Zehnteln einer Sekunde ist eine Sache der Vereinbarung und nicht der Natur. Daher die seltsame Eigenschaft: die Abweichung jeder Uhr des Planeten von UTC ist auf Nanosekunden bekannt, während die Richtigkeit von UTC selbst an nichts geprüft werden kann — sie ist richtig kraft Definition.
Die vereinbarte Natur der Skala hat sich am deutlichsten bei der Vorbereitung ihrer Abschaffung gezeigt. Die Einfügungen wollte man nicht deshalb entfernen, weil man die Drehung des Planeten genauer messen gelernt hätte, sondern weil der Preis des Bruchs gestiegen ist: Börsenzeitstempel, Satellitennavigation und Nachrichtennetze leiden unter einer zusätzlichen Sekunde mehr, als Seefahrer unter einer Abweichung von der Sonne litten. Wird die Schwelle auf null gebracht, so hört UTC auf, der Erde nachzulaufen, und entfernt sich von ihr zunächst um eine Minute im Jahrhundert und später um mehr — und was mit dieser Abweichung zu tun sei, werden erst kommende Geschlechter entscheiden.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und Größen außerhalb des Systems, ohne die weder Technik noch Kalender auskommen.