Die Schaltsekunde: geplantes Ende 2035

Wissenschaftliche Zusammenfassung

Der Artikel von Astronoo untersucht die Schaltsekunde, eine Anpassung der Weltzeit, die die Unregelmäßigkeiten der Erdrotation gegenüber der Atomzeit ausgleicht. Er beschreibt die Messungen der Weltzeit (UT) und der Internationalen Atomzeit (TAI), die Ursachen der Abweichungen (Gezeiten, Erdbeben, Bewegungen des inneren Kerns) und die Rolle des IERS. Der Artikel geht auf die 27 seit 1972 hinzugefügten Sekunden ein und diskutiert die Auswirkungen dieser Praxis auf Computersysteme sowie die Entscheidung, die Schaltsekunde ab 2035 abzuschaffen.

Warum wird unseren Uhren von Zeit zu Zeit eine Sekunde hinzugefügt?

Dieser Artikel widmet sich der Schaltsekunde, einem subtilen Mechanismus, der die ultrapräzise Atomzeit mit der unregelmäßigen Erdrotation synchronisiert. Während Cäsium-Atomuhren seit 1967 eine unveränderliche Sekunde definieren, verlangsamt und beschleunigt sich die Erdrotation aufgrund von Gezeiten, Bewegungen des inneren Kerns und klimatischen Schwankungen. Dieser Unterschied, obwohl mikroskopisch klein, summiert sich und erreicht mehrere Dutzend Sekunden pro Jahrhundert.

Um die Kohärenz zwischen der Weltzeit (UT1) und der Atomzeit (TAI) zu wahren, entscheidet der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) über das Hinzufügen oder Abziehen einer Schaltsekunde, wenn der Unterschied 0,9 Sekunden überschreitet. Seit 1972 wurden nur Additionen vorgenommen, die bisher 27 Sekunden ergeben.

Aber diese scheinbar harmlose Korrektur stört Computersysteme und Telekommunikationsnetze. Daher beschloss die Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2022, die Schaltsekunde bis 2035 abzuschaffen, um eine reibungslosere Verwaltung der Weltzeit zu ermöglichen. Der Artikel zeichnet die Geschichte und die wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen dieser flüchtigen Sekunde nach.

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Eine Sekunde hinzufügen oder abziehen?

Die Weltzeit, ein Maß für die Erdrotation

Seit 1972 ist die Weltzeit (UT) die mit der Erdrotation synchronisierte Zeit. Sie wird gemessen, indem der Durchgang entfernter Quasare durch den Meridian des Beobachtungsortes mit einigen Korrekturen genau beobachtet wird. Mit dieser Methode erreichen Astronomen eine Genauigkeit in der Größenordnung einer Mikrosekunde (10^-6 Sekunde). Aber die Rotation der Erde um ihre Achse ist nicht gleichmäßig.

Die Internationale Atomzeit, eine unveränderliche Referenz

Die Internationale Atomzeit (TAI) ist die auf der Definition der Sekunde basierende Zeitskala und wird aus 349 weltweit verteilten Cäsium-Atomuhren berechnet. Diese Referenz, die in Echtzeit weltweit verwendet wird, hat mit Cäsium 133 (Cs133) eine Genauigkeit von 10^-10 Sekunde. Diese isochrone Zeit für wissenschaftliche Zwecke wird als Terrestriche Zeit (TT) bezeichnet.

Die Ursachen der Abweichungen zwischen den beiden Zeitskalen

Aufgrund der Unregelmäßigkeit der Erdrotation weicht die Weltzeit allmählich von der Atomzeit ab. Diese Abweichung ist beträchtlich, in der Größenordnung von 35 Sekunden seit 1972. Diese kumulierten Mikroabweichungen sind auf die Gezeitenwirkungen von Mond und Sonne, die saisonalen Schwankungen der Eiskappen, Erdbeben, Tsunamis und verschiedene Bewegungen des inneren Kerns der Erde zurückzuführen.

Die Anpassung durch die Schaltsekunde

Die Abweichungen zwischen den beiden Uhren, UT und TAI, müssen korrigiert werden, weshalb seit 1972 27 Sekunden zur Weltzeit hinzugefügt wurden. Diese Sekunden werden Schaltsekunden oder Zusatzsekunden genannt.

Seit Beginn der TAI-Messung hat der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) am Pariser Observatorium nur Schaltsekunden hinzugefügt. Diese Schaltsekunde wird ausgelöst, wenn die Abweichung zwischen den Uhren etwa 0,5 Sekunden erreicht.

Ankündigung und Verbreitung der Schaltsekunde

Die Ankündigung erfolgt im Voraus über ein Informationsbulletin, das Bulletin C, das alle 6 Monate veröffentlicht wird. Die Verbreitung wird von der Internationalen Fernmeldeunion koordiniert.

N.B. :
Im Jahr 2015 trat diese Schaltsekunde in Frankreich mit der Sommerzeit am Morgen des 1. Juli auf. Die Uhren zeigten 1h 59min 59s, dann 1h 59min 60s, dann 2h 00min 00s. Die Hinzufügung dieser Sekunde, die mit den Schwankungen der Rotation unseres Planeten korreliert ist, wird weltweit am Pariser Observatorium im Labor SYRTE (Referenzsysteme Zeit-Raum) entschieden.

Alternativen zur Schaltsekunde nach 2035

Ab 2035 wird die Schaltsekunde abgeschafft. Es werden mehrere Optionen geprüft, um die wachsende Kluft zwischen UTC und UT1 zu bewältigen:

Die Kluft wachsen lassen

Die UTC wird nicht mehr angepasst, und die Differenz zu UT1 könnte um 2035-2040 1 Sekunde und dann mehrere Sekunden erreichen.
Vorteil: Einfachheit für Computersysteme.
Nachteil: Langfristig (in etwa 100 Jahren) könnte die Differenz 1 Minute überschreiten, was Probleme für astronomische Beobachtungen verursachen würde.

UTC durch größere Sprünge anpassen

Anstatt 1 Sekunde hinzuzufügen, könnte man alle 50-100 Jahre 1 Minute hinzufügen.
Vorteil: Weniger Störungen für die Informatik.
Nachteil: Ein Sprung von 1 Minute wäre noch schwieriger zu handhaben als 1 Sekunde.

Eine hybride Zeitskala verwenden

Einige schlagen vor, eine neue Zeitskala zu schaffen, die die Stabilität der TAI und die Erdrotation kombiniert, aber ohne Schaltsekunden.
Beispiel: Die Terrestrische Zeit (TT) wird bereits in der Astronomie verwendet, ist aber nicht mit der Erdrotation synchronisiert.

Auswirkungen auf moderne Technologien

Die Schaltsekunde stellt große Herausforderungen für:

Computersysteme

Datenbanken: Einige verarbeiten die Sekunde 60 nicht (z.B. MySQL vor 2017).
Zeitprotokolle: NTP (Network Time Protocol) muss aktualisiert werden, um die Sekunde 60 zu übertragen.
Webanwendungen: 2012 kam es bei Websites wie Reddit, LinkedIn und Cloudflare zu Ausfällen.
Eingebettete Systeme: GPS, Satelliten und Stromnetze müssen ihre Zeit mit extrem hoher Präzision synchronisieren.

Kritische Infrastrukturen

Stromnetze: Eine Desynchronisierung könnte Kettenreaktionen auslösen.
Finanzmärkte: Börsentransaktionen sind auf ultrapräzise Zeit angewiesen (z.B. Nasdaq verwendet Atomuhren).
Telekommunikation: 5G/6G-Netze erfordern eine Synchronisation im Mikrosekundenbereich.

Aktuelle technische Lösungen

Um das Problem zu umgehen, verwenden einige Unternehmen:

Leap Smear: Google verteilt die Schaltsekunde über 24 Stunden (z.B. +1 ms alle 864 Sekunden).
Ignorieren der Sekunde: Amazon und Microsoft synchronisieren ihre Server mit der TAI, ohne Schaltsekunden.
Hybride Uhren: Kombination von GPS und lokalen Atomuhren.

Tabelle der Schaltsekunden

Geschichte der Hinzufügungen seit 1972

1958 wurden die beiden Uhren, Weltzeit (UT1) und Internationale Atomzeit (TAI), als synchron erklärt. 1972 trennten sie 10 Sekunden. Dieser anfängliche Versatz wurde beibehalten, aber seitdem wurden 27 Schaltsekunden zur Weltzeit hinzugefügt, um ihre Abweichungen zu korrigieren.

Zwischen 2016 und 2026 hat sich die Erde gleichmäßig gedreht, ohne größere Ausschläge, oder genauer gesagt, die Abweichungen in eine Richtung haben die Abweichungen in die andere Richtung kompensiert, und der Versatz blieb konstant.

Geschichte der Schaltsekunden (1972-2026)
Jahr	30. Juni	31. Dez.	Jahr	30. Juni	31. Dez.
1972	+1	+1	2000	0	0
1973	0	+1	2001	0	0
1974	0	0	2002	0	0
1975	+1	0	2003	0	0
1976	+1	0	2004	0	0
1977	+1	0	2005	0	+1
1978	0	+1	2006	0	0
1979	0	+1	2007	0	0
1980	0	0	2008	0	+1
1981	+1	0	2009	0	0
1982	+1	0	2010	0	0
1983	+1	0	2011	0	0
1984	0	0	2012	+1	0
1985	+1	0	2013	0	0
1986	0	0	2014	0	0
1987	0	+1	2015	+1	0
1988	0	0	2016	0	+1
1989	0	+1	2017	0	0
1990	0	+1	2018	0	0
1991	0	0	2019	0	0
1992	+1	0	2020	0	0
1993	+1	0	2021	0	0
1994	+1	0	2022	0	0
1995	0	+1	2023	0	0
1996	0	0	2024	0	0
1997	+1	0	2025	0	0
1998	0	+1	2026	0	0
1999	0	0

Referenzen

FAQ: Alles Wissenswerte über die Schaltsekunde

Was ist eine Schaltsekunde?

Eine Schaltsekunde ist eine zusätzliche Sekunde, die zur koordinierten Weltzeit (UTC) hinzugefügt (oder subtrahiert) wird, um den Unterschied zwischen der perfekt gleichmäßigen Atomzeit und der unregelmäßigen Erdrotation auszugleichen. Sie hält die Differenz zwischen UTC und UT1 unter 0,9 Sekunden.

Warum ist die Erdrotation nicht gleichmäßig?

Die Erdrotation unterliegt kurz- und langfristigen Schwankungen: Die Gezeitenwirkungen von Mond und Sonne verlangsamen sie allmählich, während plötzliche Ereignisse wie Erdbeben oder Bewegungen des inneren Kerns sie beschleunigen oder verlangsamen können. Saisonale Schwankungen der Eiskappen beeinflussen ebenfalls die Rotationsgeschwindigkeit.

Wie wird die Schaltsekunde entschieden und angekündigt?

Der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) überwacht kontinuierlich die Abweichung zwischen UT1 und TAI. Wenn diese Abweichung den Schwellenwert von 0,9 Sekunden überschreitet, veröffentlicht der IERS ein Bulletin C, um die Hinzufügung oder Entfernung einer Schaltsekunde anzukündigen, die in der Regel für den 30. Juni oder 31. Dezember vorgesehen ist. Die Entscheidung wird in Absprache mit der Internationalen Fernmeldeunion getroffen.

Wie viele Schaltsekunden wurden seit 1972 hinzugefügt?

Seit der Einführung des Systems im Jahr 1972 wurden 27 Schaltsekunden hinzugefügt (keine wurde entfernt). Die letzte fand am 31. Dezember 2016 statt. Seit 2017 ist die Abweichung zwischen UT1 und TAI unter dem Schwellenwert geblieben, und es wurde keine neue Schaltsekunde geplant.

Welche Probleme verursacht die Schaltsekunde?

Das Hinzufügen oder Entfernen einer Schaltsekunde stört Computersysteme und Telekommunikationsnetze, die auf eine kontinuierliche Zeit angewiesen sind. Protokolle wie NTP (Network Time Protocol) und Datenbanken müssen diese Anomalie behandeln, was zu Fehlern, Zeitverschiebungen und Dienstunterbrechungen führen kann, wie 2012 bei einigen Websites geschehen.

Warum wird sie 2035 abgeschafft?

Im Jahr 2022 beschloss die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM), die Schaltsekunde ab 2035 abzuschaffen. Ziel ist es, die Verwaltung der Weltzeit für digitale Technologien zu vereinfachen, die unter dieser Unregelmäßigkeit leiden. Ab 2035 kann die Differenz zwischen UTC und UT1 eine volle Sekunde und dann mehrere Sekunden erreichen, ohne systematische Korrektur.

Wie gehen Unternehmen heute mit der Schaltsekunde um?

Es werden verschiedene Strategien angewendet:

Leap Smear (Google): Die Schaltsekunde über 24 Stunden verteilen.
Ignorieren der Sekunde (Amazon, Microsoft): Server mit TAI synchronisieren.
Hybride Uhren: Kombination von GPS und lokalen Atomuhren.