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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Schaltsekunden

Die Drehung der Erde um ihre Achse definiert unser natürliches Zeitmaß, die Länge des Tages. Teilt man die über ein Jahr gemittelte Tageslänge durch 86400 (24 Stunden · 60 Minuten · 60 Sekunden), so gelangt man zur so genannten Weltzeitsekunde. Diese war bis 1956 die Einheit der "Weltzeit", die von den Astronomen UT1 (von Universal Time 1) genannt wird. Andererseits erkannte man, dass die Erddrehung recht ungleichmäßig verläuft und dass insbesondere im langzeitigen Mittel die Drehgeschwindigkeit abnimmt, die Tageslänge also zunimmt. Eine Ursache hierfür ist der Einfluss von Ebbe und Flut (Gezeitenreibung). Daher wurde auf Vorschlag der Astronomen die vermeintlich stabilere Ephemeridensekunde, ein Bruchteil der Umlaufzeit der Erde um die Sonne, ab 1956 als Zeiteinheit festgelegt. Ihre Dauer sollte basierend auf Auswertungen von Simon Newcomb dem Mittelwert über die Zeitspanne 1750 - 1892 der Weltzeitsekunde entsprechen. Wegen der Abbremsung der Erdrotation war sie kürzer als die Weltzeitsekunde von 1956, denn sie entsprach ja dem Wert von ca. 1820.


Man konnte andererseits die tatsächliche Dauer der Ephemeridensekunde nicht genauer angeben als auf etwa 10-8 s, der Gewinn gegenüber der Weltzeitsekunde war daher nur unbedeutend. Letztlich entschloss man sich, die Zeiteinheit an eine atomare Naturkonstante anzuschließen.1967 wurde ein Zeitintervall als "Atomsekunde" (SI-Sekunde) definiert, das an die Ephemeridensekunde angepasst wurde und das damit ebenfalls geringfügig kürzer ist als die heutige Weltzeitsekunde. Der Unterschied beläuft sich im Mittel auf etwa 2,4·10-8 s, woraus sich dann im Verlauf eines Jahres ein Unterschied zwischen Weltzeit und Atomzeit von etwa 0,75 s ergibt (365·24·60·60·2,4·10-8 s).

Wir haben es heute mit drei nebeneinander existierenden Zeitsystemen zu tun, die im Detail diskutiert werden,

der astronomischen Zeitskala UT1

der Internationalen Atomzeit TAI

und der Koordinierten Weltzeit (UTC)

Die Skalenmaße der Zeitskalen UTC und TAI stimmen überein und entsprechen der Sekunde des Internationalen Einheitensystems (SI). Der Stand von UTC wird, durch das Einfügen von Schaltsekunden, in Übereinstimmung mit der astronomischen Zeitskala UT1 gehalten, die Abweichung wird nie größer als +0,9 s. Um das zu gewährleisten, erfolgt das Einfügen der Schaltsekunden nicht nach einer festen Regel, sondern auf Grund von Beobachtungen der Erdrotation, mit Bezug auf das Referenzsystem der Quasare, mit Bezug auf die von den Schwankungen der Erdrotaton unbehelligten Satelliten des Navigationssystems GPS und mit Bezug auf andere Satelliten, die zu speziellen wissenschaftlichen Zwecken die Erde umkreisen. Diese Beobachtungen werden vom IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) gesammelt und ausgewertet.

Üblicherweise werden Schaltsekunden am Ende oder in der Mitte eines Jahres eingefügt, und zwar an die letzte Minute des 30. Juni bzw. des 31. Dezember in der Zeitskala UTC. Dies entspricht der letzten Minute der zweiten Stunde des 1. Juli in MESZ bzw. der ersten Stunde des 01. Januar in MEZ. Am 01.01.1972, dem Anfangspunkt der UTC-Skala, wurde die Differenz TAI-UTC zu 10 Sekunden festgesetzt. Die erste Schaltsekunde wurde Mitte 1972 eingeführt.

Auf Anweisung des IERS wurde am 01.01.1999 die 22. Schaltsekunde eingefügt, sieben Jahre später, am 01.01.2006, die 23., wieder drei Jahre später die 24.. Die Erde drehte sich in diesen Jahren deutlich schneller als im langjährigen Mittel zuvor. Es gab etliche Tage, an denen die Erde weniger als 86 400 Sekunden für eine Drehung um ihre Achse benötigte. Nun ist die Erde wieder etwas langsamer geworden, man kann gespannt sein wie die Entwicklung weiter geht.

Das Sendeprogramm des Zeitcodesenders DCF77 (Arbeitsgruppe 4.42) ist so gestaltet, dass während der Stunde vor der Einfügung der Schaltsekunde durch ein Ankündigungsbit (Sekundenmarke Nummer 19) die bevorstehende Schaltsekunde angekündigt wird, bevor sie dann als ein zusätzliches Zeitzeichen ausgesendet wird.

Auch in der über Telefonmodem über die Rufnummer 0531-51 20 38 übermittelten PTB-Zeitinformation wird die Schaltsekunde berücksichtigt, und viele Tage im voraus wird das Einfügen einer Schaltsekunde angekündigt.

Die Berücksichtigung der Schaltsekunde bei der Zeitübertragung über das Internet mittels Network Time Protocol ist je nach installierter Software der Server verschieden gelöst und nicht in allen Fällen problemlos gewesen. Sie PTB Server sind diesbezüglich getestet und sollten ohne Störung funktionieren.

Uhren, die von Satelliten des GPS-Systems gesteuert werden können auch die UTC-Zeit einschließlich Schaltsekunde korrekt anzeigen, da die korrekte Nummer der Schaltsekunde im Satellitensignal verschlüsselt übertragen wird.

Schaltsekunden seit Einführung des UTC-Zeitsystems am 01.01.1972

Die erste Schaltsekunde (n – n0) = 1 nach Einführung des neuen UTC-Zeitsystems wurde am 01.07.1972 am Zeitpunkt 1 s vor 1 Uhr MEZ eingefügt. Beim Übergang auf das neue Zeitsystem war der Anfangswert n0=10, die Atomzeitskalen TAI (Internationale Atomzeitskala) und UTC (Koordinierte Weltzeitskala) unterschieden sich am 01.01.1972 also um n0·(1 s) = 10 s. (n – n0) ist die Summe der Schaltsekunden seit dem 01.01.1972 und n ist der jeweilige Zeitskalenunterschied zwischen TAI und UTC. Die Einfügung weiterer Schaltsekunden erfolgte danach wie in der folgenden Tabelle gezeigt.

Link zur Tabelle Schaltsekunden

01.01.1973 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 2
01.01.1974 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 3
01.01.1975 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 4
01.01.1976 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 5
01.01.1977 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 6
01.01.1978 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 7
01.01.1979 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 8
01.01.1980 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 9
01.07.1981 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 10
01.07.1982 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 11
01.07.1983 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 12
01.07.1985 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 13
01.01.1988 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 14
01.01.1990 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 15
01.01.1991 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 16
01.07.1992 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 17
01.07.1993 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 18
01.07.1994 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 19
01.01.1996 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 20
01.07.1997 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 21
01.01.1999 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 22
01.01.2006 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 23
01.01.2009 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 24
01.07.2012 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 25
01.07.2015 1 s vor 2 Uhr MESZ (n – n0) = 26
01.01.2017 1 s vor 1 Uhr MEZ (n – n0) = 27