Schaltsekunde

Eine Schaltsekunde ist eine bei Bedarf in die Koordinierte Weltzeit UTC zusätzlich eingefügte Sekunde, um sie mit der Universellen Sonnenzeit UT1 zu synchronisieren (dUT1 < 0,9 s). Sie wird vom Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) festgelegt und eingeführt.

Geschichte

Bis in die 1950er Jahre war die Sekunde als 1/86400 eines mittleren Sonnentages definiert. Eine vom Sonnenstand und damit letztlich von der Erdrotation abgeleitete Zeitskala verläuft jedoch nicht streng gleichförmig, da die Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde unregelmäßigen Schwankungen und einer langfristigen Verlangsamung unterliegt. Eine solche ungleichförmige Zeitskala ist für viele technische und wissenschaftliche Zwecke nicht brauchbar.

Da auch die anschließend gültige Ephemeridensekunde den Anforderungen nicht genügte, wird die Sekunde seit 1967 durch eine genau bestimmte Strahlungsfrequenz festgelegt, nämlich als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids ¹³³Cs entsprechenden Strahlung. Die so erzeugte gleichförmig verlaufende Zeitskala ist die Internationale Atomzeit (TAI). Die Erdrotation wird dennoch weiter beobachtet; die aus ihr abgeleitete ungleichförmig verlaufende Zeitskala ist die Universal Time UT1, die z. B. für astronomische Zwecke benötigt wird.

Im Jahr 1972 betrug die Differenz zwischen UTC und TAI vor Einführung der Schaltsekunde bereits 10 Sekunden. Somit liegt der Unterschied heute bei etwa 35 Sekunden.

Obwohl die Sekunde im Laufe der Zeit mehrmals neu definiert wurde, behielt man ihre Länge bei jedem Definitionswechsel so gut wie möglich bei. Daher basiert die Länge der heutigen SI-Sekunde letztlich auf Bestimmungen der Länge des mittleren Sonnentages aus dem späten 19. Jahrhundert. Die Veränderlichkeit des mittleren Sonnentages war damals noch nicht bekannt, und ihre mittlere Länge war aus Beobachtungsmaterial bestimmt worden, das sich hauptsächlich über das 18. und 19. Jahrhundert erstreckte. Als Folge ist die heutige Sekunde repräsentativ für die Länge der astronomisch bestimmten Sekunde etwa zur Mitte des damals ausgewerteten Beobachtungszeitraums, also um 1820. Gegenwärtig ist der Tag einige Millisekunden länger als damals, so dass auch die aus der Erdrotation abgeleitete UT1-Sekunde etwas länger ist als die SI-Sekunde, welche die Verhältnisse vor 200 Jahren widerspiegelt. Daher ist es nötig, zum Ausgleich mehr Schaltsekunden in UTC einzufügen (positive Schaltsekunden) als wegzulassen (negative Schaltsekunden).

Notwendigkeit

Tageslängen 1962 bis 2011

Die Erdrotation unterliegt ständigen Schwankungen. In den letzten Jahrzehnten hat sie sich beschleunigt, aber auf Dauer wird sie durch die Gezeitenreibung abgebremst. Darum verläuft UT1 zunehmend langsamer, während TAI streng gleichförmig verläuft.

Die im Alltag verwendete bürgerliche Zeit sollte sich zweckmäßigerweise am Tag-Nacht-Wechsel, also an der Erdrotation und damit an UT1 orientieren, andererseits ist für technische Zwecke ein streng gleichförmiges Zeitmaß, also TAI, wünschenswert. Als Kompromiss wurde die Koordinierte Weltzeit UTC eingeführt. Zeiteinheit für UTC ist wie für TAI die mit Atomuhren gemessene SI-Sekunde. Durch Einfügen von Schaltsekunden wird erreicht, dass sich UTC nie um mehr als 0,9 s von UT1 entfernt. Auf diese Weise ist einerseits gewährleistet, dass die Alltagszeitskala nicht langfristig von der mittleren Sonnenzeit abdriftet, andererseits steht eine atomuhrgenaue Zeiteinheit zur Verfügung.

Praktische Durchführung

Schaltsekunden werden in Deutschland von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt festgelegt, die allerdings dazu nur die international vom International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) festgelegten Schaltsekunden übernimmt. Im Mittel sind Schaltsekunden etwa alle 18 Monate nötig und werden vorrangig am 31. Dezember oder 30. Juni, nachrangig am 31. März oder 30. September nach 23:59:59 UTC (also vor 1:00 MEZ bzw. 2:00 MESZ) eingefügt. Seit Einführung des Systems 1972 wurden ausschließlich die Zeitpunkte im Dezember und Juni benutzt.

Die Anweisung, eine Schaltsekunde einzufügen, wird immer dann gegeben, wenn für die nächste Zukunft zu erwarten ist, dass der Unterschied zwischen UTC und UT1 über 0,9 Sekunden anwächst. Nach 23:59:59 UTC der genannten Tage wird eine zusätzliche Sekunde bei 23:59:60 eingefügt, bevor die Uhr auf 00:00:00 des Folgetages vorrückt. Das bedeutet, dass der Tag mit der Schaltsekunde aus 86401 Atomsekunden besteht statt der üblichen 86400. Für den Fall, dass die Erdrotation deutlich schneller werden würde, sind auch negative Schaltsekunden vorgesehen. In diesem Fall würde der Folgetag mit 00:00:00 direkt auf 23:59:58 folgen. Dieser Fall ist jedoch noch nie eingetreten. Zwar hat sich die Erdrotation seit Ende der 1970er Jahre leicht beschleunigt (im Rahmen der üblichen Schwankungen), so dass Schaltsekunden seither weniger häufig notwendig waren. Ein Tag ist jedoch immer noch länger als die nominellen 86400 Atomsekunden, so dass voraussichtlich weiterhin in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen ein Ausgleich durch positive Schaltsekunden erfolgen muss.

Die korrekte Darstellung von 31.12. 23:59:60 ist jedoch selten auf handelsüblichen Uhren zu sehen. Prinzipbedingt kommen nur Funkuhren dafür in Frage und selbst diese sind meist so gebaut, dass sie die Übermittlung von 23:59:60 schlichtweg ignorieren und an Stelle der korrekten Anzeige von 23:59:60 eine Sekunde länger auf 23:59:59 oder 00:00:00 verharren. Das ist für die meisten Hersteller ohnehin wünschenswerter, denn die Anzeige 23:59:60 kann aufgrund fehlendem Wissen des Benutzers über die Schaltsekunde auch als Fehlanzeige oder Defekt (fehl-)interpretiert werden.

Auch auf einigen Computersystemen kommt es zu Abweichungen bei der Ermittlung von Zeitdifferenzen, viele Systeme geben die Differenz zwischen „31. Dezember 1998 23:59:59 UTC“ und „1. Januar 1999 00:00:00 UTC“ mit „1 Sekunde“ fehlerhaft an, oder versagen, wenn man Zeitangaben wie „31. Dezember 1998 23:59:60 UTC“ bzw. „1. Januar 1999 00:59:60 MEZ“ eingibt. Das ist jedoch nur dann ein Problem, wenn es sich um sicherheitskritische Systeme oder Systeme zur kontinuierlichen Datenerfassung und -anzeige handelt, z. B. Datenbanken, Computercluster und auch räumlich verteilte/gespiegelte Systeme.

Liste aller Schaltsekunden

Jahr 30. Juni nach 23:59:59 UTC 31. Dezember nach 23:59:59 UTC TAI = UTC + 10 Sekunden 1972 +1 Sekunde (+11) +1 Sekunde (+12) 1973 +1 Sekunde (+13) 1974 +1 Sekunde (+14) 1975 +1 Sekunde (+15) 1976 +1 Sekunde (+16) 1977 +1 Sekunde (+17) 1978 +1 Sekunde (+18) 1979 +1 Sekunde (+19) 1980 1981 +1 Sekunde (+20) 1982 +1 Sekunde (+21) 1983 +1 Sekunde (+22) 1984 1985 +1 Sekunde (+23) 1986 1987 +1 Sekunde (+24) 1988 1989 +1 Sekunde (+25) 1990 +1 Sekunde (+26) 1991 1992 +1 Sekunde (+27) 1993 +1 Sekunde (+28)

Jahr 30. Juni nach 23:59:59 UTC 31. Dezember nach 23:59:59 UTC 1994 +1 Sekunde (+29) 1995 +1 Sekunde (+30) 1996 1997 +1 Sekunde (+31) 1998 +1 Sekunde (+32) 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 +1 Sekunde (+33) 2006 2007 2008 +1 Sekunde (+34) 2009 2010 2011 2012 +1 Sekunde (+35) 2013 2014 2015 ? ? 2016 ? ?

Zukunft

Auf Grund der Unregelmäßigkeit der Verlangsamung der Erdrotation ist eine Vorhersage, ob und wann eine Schaltsekunde notwendig wird, nur für die nähere Zukunft möglich. Es ist Aufgabe des Internationalen Dienstes für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS), die Erdrotation zu beobachten und festzustellen, ob eine Schaltsekunde notwendig ist. Ihre Feststellung wird im Bulletin C veröffentlicht, das alle sechs Monate neu erscheint. Die bisher letzte Schaltsekunde wurde zum Übergang vom 30. Juni auf den 1. Juli 2012 eingefügt.

Zurzeit wird diskutiert, ob das Einfügen der Schaltsekunden seltener stattfinden soll, da dieser Vorgang eine Fehlerquelle für zahlreiche Computersysteme sei, oder ob gar das System grundsätzlich geändert werden soll. Wenn etwa im Jahr 2600 eine ganze Schalt-Stunde eingefügt würde, könnte auf die häufigen kleinen – in unregelmäßigen Abständen vorzunehmenden – Anpassungen verzichtet werden. Die Entscheidung wurde auf 2015 vertagt.

Das Global Positioning System (GPS) benutzt seit seiner Einführung 1980 eine Atomzeitskala ohne Schaltsekunden, um nicht aus dem Takt zu geraten. Die GPS-Zeit ist daher der UTC um 16 Sekunden voraus (Stand 2012). Den Daten des GPS-Sendesignals wird die aktuelle Differenz hinzugefügt, um bei GPS-Empfängern und -Nutzern die UTC verfügbar zu machen.

Sonstiges

Das bisher längste Jahr im gregorianischen Kalender in den Zeitzonen UTC±0 und westlich war 1972. Es war als Schaltjahr um einen Tag und zwei Schaltsekunden länger als üblich. Das kürzeste Jahr war 1582, als durch die Einführung des Gregorianischen Kalenders die 10 Tage zwischen dem 4. und dem 15. Oktober übersprungen wurden.

Die Schaltsekunde am 30. Juni 2012 verursachte an vielen Servern weltweit erhebliche Probleme. Speziell Rechner mit bestimmten Linux-Kernelversionen waren davon betroffen. Durch einen Bug im Kernel kam es zu einem sogenannten Deadlock. Hauptsächlich betroffen waren Java-basierte Programme und MySQL-Datenbanken. Neben der Fluglinie Qantas, die rund 50 Flüge verschieben musste, waren viele große Websites betroffen, was Fachzeitschriften bereits zu einem Vergleich mit dem Millennium-Bug bewog. Das Unternehmen Google entging dem Problem durch einen Trick, bei dem über den ganzen Tag hinweg kleine Zeitinkremente für die Zeitsteuerung des NTP-Servers aufsummiert wurden, bis der Zeitunterschied egalisiert war.

Siehe auch

• Atomzeit
• Zeitmessung

Literatur

• Dennis D. McCarthy, William J. Klepczynski: GPS and Leap Seconds (PDF-Datei; 204 kB). GPS World 10, 11 (November 1999), 50–57
• R. A. Nelson et al.: The leap second: its history and possible future (PDF-Datei; 381 kB). Metrologia 38 (2001), 509–529

Weblinks

Wiktionary: Schaltsekunde – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikinews: An Silvester werden die Uhren eine Sekunde lang angehalten – in den Nachrichten

• Schaltsekunden mit Liste der Zeitpunkte, zu denen Schaltsekunden eingefügt wurden Physikalisch-Technische_Bundesanstalt (PTB)
• Schaltsekunden und deren Auswertung durch Funkuhren und NTP www.meinberg.de (Funkuhren, Zeitserver etc.)
• Leap Seconds (englisch)
• Rapid Service/Prediction Center for Earth Orientation Parameters (englisch)
• Graphische Übersicht und Ankündigung (Bulletin C) der Schaltsekunden (englisch)
• The atomic time scale (englisch)
• Offsets and step adjustments of UTC (englisch)