Schaltsekunde

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Eine Schaltsekunde ist eine zusätzlich eingefügte Sekunde in die offizielle Zeit (UTC), um sie bei Bedarf mit der Mittleren Sonnenzeit zu synchronisieren. Sie wird vom Internationalen Dienstes für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) festgelegt und eingeführt.

Liste aller Schaltsekunden

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 gleichmäßig, 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.

Seit 1967 ist daher die Sekunde über eine Resonanz des Cäsiumatoms definiert. Die so erzeugte gleichmäßig verlaufende Zeitskala ist die Internationale Atomzeit TAI. Die Erdrotation wird dennoch weiter beobachtet; die aus ihr abgeleitete ungleichmäßig 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 33 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 es war ihre mittlere Länge 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

Da die Rotation der Erde um die eigene Achse aufgrund der hauptsächlich durch den Mond verursachten Gezeitenreibung geringfügig aber kontinuierlich abgebremst wird, verläuft UT1 zunehmend langsamer, während TAI streng gleichmäßig 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 der Einführung des Systems 1972 wurden bisher 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 Folge-Tages vorrückt. Das bedeutet, dass der Tag mit der Schalt-Sekunde aus 86401 Atomsekunden, statt der üblichen 86400, besteht. Für den Fall, dass die Erdrotation schneller werden würde, sind auch negative Schaltsekunden vorgesehen. In diesem Fall würde der Folge-Tag mit 00:00:00 direkt auf 23:59:58 folgen. Dieser Fall ist jedoch noch nie eingetreten. Zwar ist die fortlaufende Verlangsamung der Erdrotation seit Ende der 1970er Jahre etwas geringer geworden (im Rahmen der üblichen Schwankungen), so dass Schaltsekunden seither weniger häufig notwendig waren. Eine Eigendrehung der Erde (Tag) ist jedoch zur Zeit schon 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. Bei der Herstellung einer Uhr kann nicht vorhergesagt werden, wann die nächste Schaltsekunde eingefügt werden muss, und selten haben gewöhnliche Haushaltsuhren ein Funkmodul. Aber selbst Funk-gesteuerte Uhren 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. Dies ist ohnehin für die meisten Hersteller wünschenswerter, denn die Anzeige 23:59:60 kann aufgrund fehlender Informationen 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 und 1. Januar 1999 00:00:00 mit „1 Sekunde“ fehlerhaft an, oder versagen wenn man sie mit Zeitangaben wie „31. Dezember 1998 23:59:60“ füttert. Dies ist jedoch selten ein Problem, sofern es sich nicht um sicherheitskritische Systeme oder Systeme zur kontinuierlichen Datenerfassung und Anzeige handelt.

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. Im Juli 2005 wurde vom IERS zum 23. Mal die Anweisung gegeben, eine Schaltsekunde einzufügen. Diese bisher letzte Schaltsekunde wurde in der Nacht zum 1. Januar 2006 um 00:59:59 Uhr MEZ (23:59:59 Uhr UTC des Vortages) eingefügt. Die Zeitspanne davor war die bisher längste ohne Schaltsekunde. Die nächste Schaltsekunde wird in der Nacht zum 1. Januar 2009 um 00:59:59 Uhr MEZ (23:59:59 UTC am 31. Dezember 2008) eingefügt werden.

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 6 Monate neu erscheint.

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

Sonstiges

Das bisher längste Jahr im gregorianischen Kalender war somit 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 10 Tage übersprungen wurden.

Siehe auch

• Geschichte von Maßen und Gewichten
• UT1
• SI-System
• Atomzeit
• Schaltjahr
• Zeitmessung

Literatur

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

Weblinks

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

• Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) – Liste der Zeitpunkte, zu denen Schaltsekunden eingefügt wurden
• Schaltsekunden und deren Auswertung durch Funkuhren und NTP
• Leap Seconds – engl.
• Rapid Service/Prediction Center for Earth Orientation Parameters – engl.
• Graphische Übersicht und Ankündigung (Bulletin C) der Schaltsekunden – engl.
• The atomic time scale – engl.
• Offsets and step adjustments of UTC – engl.