As escalas de tempo e o segundo intercalar
Não uma unidade de medida, mas três escalas: UTC, TAI e UT1 · grandeza: um instante
A trinta e um de dezembro de 2016 os relógios do Serviço Internacional de Rotação da Terra marcaram 23 horas 59 minutos 60 segundos — uma hora que não existe num dia comum. O segundo foi inserido porque até àquele dia a Terra se atrasara quase seis décimos de segundo em relação aos relógios atómicos e, sem a inserção, a divergência teria ultrapassado o limiar fixado por convenção. Desde então não houve mais nenhuma inserção: o planeta acelerou inesperadamente e discute-se agora a sério a operação inversa — um segundo que será preciso não acrescentar, mas retirar.
Só se compreende isto distinguindo três coisas a que a fala corrente chama por uma só palavra, «tempo». TAI é a escala atómica, que corre com uniformidade sem olhar ao planeta; UT1 é o ângulo de rotação da própria Terra, ou seja, um fenómeno astronómico com génio próprio; e UTC é a escala de compromisso: corre em segundos atómicos, mas de tempos a tempos recebe um inteiro inserido, para não se afastar do planeta mais do que nove décimos de segundo. A primeira não admite acerto, a segunda não admite previsão, e a terceira é fixada por decisão de um comité e impressa num boletim.
01 · Definição
O Tempo Atómico Internacional TAI compõe-se das indicações de umas duzentas e cinquenta relógios atómicos espalhados pelos laboratórios nacionais e corre em segundos do SI sem uma única correção. O Tempo Universal UT1 é dado pelo ângulo de rotação da Terra e muda por isso de andamento com o planeta. O Tempo Universal Coordenado UTC difere do TAI num número inteiro de segundos e mantém-se perto de UT1 por meio de inserções anunciadas pelo Serviço Internacional de Rotação da Terra.
O propósito do UTC é unir o inconciliável: o seu segundo é atómico, uniforme, próprio para a física e para as comunicações, ao passo que a sua indicação é astronómica, presa ao dia e à noite. A união paga-se com uma rutura: de poucos em poucos anos entra na escala um segundo a mais, o minuto contém então sessenta e um segundos, e a marca 23:59:60 torna-se legítima. Daí ser o UTC a única das três escalas com instantes que a contagem comum dos dias não sabe exprimir.
O limiar para além do qual se determina uma inserção vale nove décimos de segundo em valor absoluto, e não assenta em razões físicas mas num compromisso entre astrónomos e engenheiros de comunicações, firmado em 1972. O serviço acompanha a diferença UT1 − UTC por radiointerferometria e observações de satélite, e publica a sua decisão no Boletim C — duas vezes por ano, meio ano antes da data possível, que cai no fim de junho ou no fim de dezembro.
O UTC não se pode verificar com instrumento algum, pois não tem valor verdadeiro: TAI comporta-se como uma unidade, UT1 como um fenómeno, e UTC como uma convenção, sendo a sua indicação anunciada e não medida. Em contrapartida, o relógio próprio pode comparar-se com ela ao nanossegundo, porque os boletins do serviço indicam em quanto a indicação de cada escala nacional se afasta da acordada.
A escada de cima é o desvio TAI − UTC, que cresce em segundos inteiros; a serra de baixo é a diferença UT1 − UTC, que desce juntamente com a Terra atrasada e sobe um segundo a cada inserção. Os traços vermelhos em baixo marcam o limiar de nove décimos: assim que a serra dele se aproxima, o serviço determina nova inserção e ambas as linhas dão o seu passo ao mesmo tempo.
A linha tracejada é a escala atómica, em que cada segundo é igual ao anterior; a linha ondulada é a rotação da Terra, travada pelo atrito das marés e ao mesmo tempo errante porque a água e o ar se redistribuem, e até por causa dos movimentos no núcleo líquido. Os traços vermelhos são os momentos em que o serviço teve de intervir. Justamente porque a segunda linha é imprevisível, as inserções não podem ser anunciadas com uma década de antecedência: determinam-se meio ano antes, a partir das observações.
02 · Conversão
Um mesmo instante em escalas diferentes
Introduza um instante em qualquer forma habitual — ano decimal, data juliana, contagem de segundos desde o início da época Unix — e a ficha mostrará como esse mesmo instante se lê nas restantes escalas e que desvios vigoravam nesse dia.
As passagens entre as escalas atómicas são exatas ao nanossegundo, por serem fixadas por constantes: TT difere do TAI em 32,184 s e a escala GPS em exatamente 19 s. Só a linha do UT1 é aproximada: toma-se do Boletim A e, para o futuro, é dada como previsão.
A contagem dos segundos na norma POSIX está feita de modo que o dia tem sempre exatamente 86 400 deles, e um segundo inserido nada encontra ali com que se exprima: o sistema ou repete duas vezes a mesma indicação ou atrasa o relógio. Por causa desta bagatela, em junho de 2012 caíram os servidores de metade dos grandes serviços, e várias empresas esticam desde então o segundo a mais ao longo de um dia inteiro, espalhando-o em camada fina pelos seus relógios.
| Valor | Nota | ||
|---|---|---|---|
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03 · Ordens de grandeza
escala logarítmica: do nanossegundo às cinco horas04 · Instrumentos de medição
Com que se sustêm e com que se conferem as escalas
Uma nuvem de átomos arrefecidos é lançada para cima e atravessa duas vezes o mesmo ressoador — na subida e na queda —, o que permite medir a frequência da transição até ao décimo sexto algarismo. Tais padrões primários fixam o comprimento do segundo e não guardam indicação da hora: ligam-se por alguns dias para verificar a marcha dos restantes relógios.
O máser mantém a frequência bastante mais uniforme do que a fonte em intervalos de uma hora a um dia, mas deriva lentamente para o lado, e por isso nos laboratórios serve de guardião da escala e não de padrão de frequência: a sua marcha é comparada de poucos em poucos dias com um padrão primário. São os máseres que dão a indicação contínua com que depois se compõe o TAI.
Duas antenas em continentes diferentes recebem o ruído de um mesmo quasar, e a diferença no tempo de chegada do sinal denuncia a orientação da Terra em relação a fontes distantes. É assim que se mede o UT1, pois com nenhum relógio se pode saber o ângulo de rotação do planeta — só pode ser observado, e o serviço fá-lo dia e noite.
Cada satélite leva a bordo relógios atómicos, e um recetor que apanhou quatro sinais recupera não só o seu lugar mas também a hora com exatidão de dezenas de nanossegundos. A escala transmitida, essa, é própria: o sistema GPS não tem inserção alguma, fica exatamente a dezanove segundos do TAI, e a diferença corrente com o UTC viaja num campo à parte da mensagem do satélite.
05 · Regras de escrita
Uma marca temporal sem a sua escala não é marca
Os nomes das escalas escrevem-se em maiúsculas, sem pontos e sem espaços interiores, e à indicação junta-se sempre em que escala foi tomada: a letra Z ou um desvio na escrita da norma ISO 8601, uma menção à parte de TAI ou GPS se a hora for atómica. As diferenças entre escalas escrevem-se com sinal e em segundos, pondo primeiro aquela de que se subtrai.
A primeira escrita é impossível porque a inserção se faz no fim do dia em UTC, ao passo que no fuso de Moscovo esse mesmo instante cai às três da madrugada e a marca fica 02:59:60. A segunda põe um sinal de igualdade entre a escala e o tempo médio histórico do meridiano de Greenwich, há muito fora de uso em metrologia. A terceira confunde o sentido da subtração: a escala atómica vai à frente, não atrás. E a quarta não pode figurar num boletim de todo, pois o serviço é obrigado a inserir um segundo muito antes de a diferença atingir tal valor.
06 · Escalas vizinhas
Ao lado estão todas as escalas que contam o mesmo tempo a partir de outras origens ou noutro referencial: o tempo terrestre TT, com que se calculam as efemérides, a escala atómica dos sistemas de satélites e o tempo-coordenada baricêntrico, que atende a que os relógios na Terra não andam como no centro de massa do Sistema Solar.
sem inserções nem correções
um fenómeno observado
a escala das efemérides
De entre as fichas do Simetrium estão ao lado segundo, que dá a unidade às três escalas, dia e hora, onde a mesma irregularidade da rotação se vê de outro lado, e cômputo dos anos, em que não diferem as unidades, mas as origens.
07 · Secção histórica
O segundo que primeiro se inventou e agora se suprime
Louis Essen e Jack Parry montaram no National Physical Laboratory o primeiro relógio de césio e descobriram algo incómodo: o instrumento revelou-se mais estável do que aquilo com que o pensavam verificar. Desde esse momento a Terra deixou de ser o padrão do tempo e passou a objeto de observação, e oito anos depois o segundo foi redefinido pela frequência da transição do césio.
A primeira versão do UTC ajustava-se à Terra de outro modo: uma vez por ano anunciava-se uma correção da própria frequência, de sorte que o segundo da escala diferia de propósito do segundo do SI, e além disso deslocava-se de tempos a tempos a indicação em décimos. Aos navegadores servia, aos físicos não, e abandonou-se o segundo elástico reconhecendo que vale mais uma rutura rara do que uma unidade constantemente errada.
A partir de um de janeiro de 1972 o UTC passou a correr em segundos do SI uniformes, ficando exatamente dez atrás da escala atómica, e obteve o direito às inserções. O limiar de nove décimos de segundo foi escolhido como meio-termo entre as exigências dos marinheiros, que precisavam de uma ligação astronómica, e as dos engenheiros de comunicações, que precisavam de continuidade.
A vigésima sétima Conferência Geral de Pesos e Medidas resolveu levar o limiar a zero, isto é, renunciar às inserções, o mais tardar em 2035. A razão não está na comodidade dos programadores, mas em a Terra ter começado a acelerar: desde 2020 bateram-se várias vezes recordes de dias curtos, e em vez da inserção habitual poderá ser preciso pela primeira vez retirar um segundo — e para isso não está preparado nenhum sistema do mundo.
Uma escala cuja indicação se anuncia e não se mede
Toda a grandeza deste catálogo tem um instrumento capaz de dizer quanto vale, e só o UTC não tem tal instrumento nem o pode ter. Os relógios atómicos medem intervalos, os interferómetros medem a rotação da Terra, ao passo que a questão de inserir ou não um segundo no fim de junho é decidida por pessoas e impressa num boletim, porque o limiar de nove décimos de segundo é questão de convenção e não de natureza. Daí uma propriedade estranha: a divergência com o UTC de qualquer relógio do planeta é conhecida ao nanossegundo, ao passo que a correção do próprio UTC não tem contra o que ser verificada — é correta por definição.
A natureza convencionada da escala revelou-se melhor do que nunca na preparação da sua supressão. Decidiu-se tirar as inserções não por se ter aprendido a medir com mais finura a rotação do planeta, mas porque o preço da rutura subiu: as marcas temporais de bolsa, a navegação por satélite e as redes de comunicações sofrem com um segundo a mais mais do que os marinheiros sofreriam com uma divergência em relação ao sol. Quando o limiar for levado a zero, o UTC deixará de alcançar a Terra e afastar-se-á dela primeiro um minuto por século e depois mais — e o que fazer com esse afastamento haverão de decidi-lo já as gerações vindouras.
Catálogo · unidades de medida
Uma ficha para cada grandeza
Sete unidades de base do SI, vinte e duas derivadas com nome próprio e grandezas fora do sistema sem as quais nem a técnica nem o calendário funcionariam.