Schaltsekunde
Auf 23:59:59 folgt nicht wie sonst 00:00:00, stattdessen wird für eine Sekunde 23:59:60 angezeigt. Erst nach dieser Schaltsekunde wechselt die Anzeige auf 00:00:00. ⓘ
Die Erde rotiert minimal langsamer, als bei der Definition der Sekunde zugrunde gelegt wurde; ein tatsächlicher mittlerer Sonnentag dauert daher um Sekundenbruchteile länger als 86400 Sekunden. Dieser Effekt akkumuliert sich. Von Zeit zu Zeit wird deshalb eine Schaltsekunde in die koordinierte Weltzeit (UTC), eine Atomzeitskala, eingefügt, um sie mit der auf der Erdrotation basierenden Weltzeit (UT1), die näherungsweise mit der früher verwendeten Greenwicher mittleren Sonnenzeit (GMT) übereinstimmt, möglichst synchron zu halten (der Betrag der Differenz DUT1 = UT1 − UTC soll kleiner als 0,9 s sein). ⓘ
In gewisser Weise sind Schaltsekunden mit Schalttagen vergleichbar:
- Schalttag: Da die Erde für die Umrundung der Sonne etwas länger als genau 365 Tage braucht, bis sie wieder an der gleichen Stelle ihrer Bahn – etwa am Frühlingspunkt – angelangt ist (die mittlere Bahngeschwindigkeit der Erde ist „zu langsam“), wird ein Schalttag eingefügt, bevor die Abweichung des Kalenders von der tatsächlichen astronomischen Situation einen ganzen Tag überschreitet.
- Schaltsekunde: Da die Erde bei ihrer Drehung um sich selbst im Mittel etwas länger als genau 24 Stunden, also 86.400 Sekunden, braucht, bis die Sonne auf ihrer scheinbaren Bahn wieder ihren Höchststand erreicht (die mittlere Eigenrotation der Erde ist „zu langsam“), wird eine Schaltsekunde eingefügt, bevor die Abweichung der koordinierten Weltzeit (die auf der physikalischen Definition der Sekunde beruht) vom mittleren Sonnentag (der auf der astronomischen Definition der Sekunde beruht) eine ganze Sekunde überschreitet. ⓘ
Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde nichtperiodische Unregelmäßigkeiten aufweist, die nicht vorausberechenbar sind, erfolgt die Einfügung von Schaltsekunden bei Bedarf und nicht nach einem festen Muster. In den 1980er und 1990er Jahren geschah dies im Mittel etwa alle 18 Monate, im 21. Jahrhundert nahm die Häufigkeit ab. ⓘ
Schaltsekunden werden vom Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme festgelegt. Zuständig für die gesetzliche Zeit eines jeweiligen Landes ist jedoch meist eine jeweilige staatliche Einrichtung. ⓘ
Die Erde drehte sich im Jahr 2020 schneller als jemals in den letzten 50 Jahren, sogar – nach jahrzehntelanger stetiger „Verspätung“ – erstmals wieder schneller als mit der der Definition der Sekunde zugrunde liegenden Rotationsgeschwindigkeit, und holte dadurch etwa eine Zehntelsekunde auf. In der Folge wurden eine erstmalige negative Schaltsekunde und andere mögliche Korrekturen der Zeitmessung diskutiert. ⓘ
Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde in Abhängigkeit von klimatischen und geologischen Ereignissen schwankt, sind die UTC-Schaltsekunden in unregelmäßigen Abständen und unvorhersehbar. Über die Einfügung jeder UTC-Schaltsekunde wird in der Regel etwa sechs Monate im Voraus vom Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) entschieden, um sicherzustellen, dass die Differenz zwischen den UTC- und UT1-Messwerten nie mehr als 0,9 Sekunden beträgt. ⓘ
Diese Praxis hat sich als störend erwiesen, insbesondere im einundzwanzigsten Jahrhundert und vor allem bei Diensten, die von präzisen Zeitstempeln oder zeitkritischen Prozesssteuerungen abhängen. Die Internationale Fernmeldeunion prüft derzeit, ob diese Praxis beibehalten werden soll; ein Bericht wird für das Jahr 2023 erwartet. ⓘ
Geschichte
Um 140 n. Chr. unterteilte der alexandrinische Astronom Ptolemäus sowohl den mittleren Sonnentag als auch den wahren Sonnentag auf mindestens sechs Stellen nach dem Sexagesimalpunkt, und er verwendete einfache Bruchteile sowohl der Äquinoktialstunde als auch der saisonalen Stunde, von denen keine der modernen Sekunde ähnelt. Muslimische Gelehrte, darunter al-Biruni im Jahr 1000, unterteilten den mittleren Sonnentag in 24 Äquinoktialstunden, von denen jede sexagesimal unterteilt wurde, d. h. in die Einheiten Minute, Sekunde, Terz, Quart und Quinte, wodurch die moderne Sekunde als 1⁄60 von 1⁄60 von 1⁄24 = 1⁄86.400 des mittleren Sonnentages entstand. Mit dieser Definition wurde die Sekunde 1874 als Basiseinheit der Zeit im CGS-Einheitensystem vorgeschlagen. Bald darauf entdeckten Simon Newcomb und andere, dass die Rotationsperiode der Erde unregelmäßig schwankt, so dass die Internationale Astronomische Union (IAU) 1952 die Sekunde als einen Bruchteil des siderischen Jahres definierte. 1955 definierte die IAU die Sekunde als den Bruchteil 1⁄31.556.925,975 des mittleren tropischen Jahres von 1900,0 neu, da sie das tropische Jahr für grundlegender hielt als das siderische Jahr. 1956 wurde ein etwas genauerer Wert von 1⁄31.556.925,9747 für die Definition der Sekunde vom Internationalen Komitee für Maße und Gewichte und 1960 von der Generalkonferenz für Maße und Gewichte angenommen und wurde Teil des Internationalen Einheitensystems (SI). ⓘ
Schließlich erwies sich auch diese Definition als unzureichend für präzise Zeitmessungen, so dass die SI-Sekunde 1967 erneut als 9 192 631 770 Perioden der von einem Cäsium-133-Atom beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus seines Grundzustands ausgesandten Strahlung neu definiert wurde. Dieser Wert stimmte auf 1 Teil in 1010 mit der damals verwendeten astronomischen Sekunde (Ephemeriden) überein. Er lag auch nahe bei 1⁄86.400 des mittleren Sonnentages im Durchschnitt der Jahre 1750 bis 1892. ⓘ
In den letzten Jahrhunderten hat die Länge des mittleren Sonnentages jedoch um etwa 1,4 bis 1,7 ms pro Jahrhundert zugenommen, je nach Mittelungszeitpunkt. Im Jahr 1961 war der mittlere Sonnentag bereits eine oder zwei Millisekunden länger als 86 400 SI-Sekunden. Daher würden Zeitstandards, die das Datum nach genau 86 400 SI-Sekunden ändern, wie die Internationale Atomzeit (TAI), den Zeitstandards, die an den mittleren Sonnentag gebunden sind, wie die Universalzeit (UT), zunehmend voraus sein. ⓘ
Als 1960 die koordinierte Weltzeit (UTC) eingeführt wurde, die auf Atomuhren basiert, hielt man es für notwendig, die Übereinstimmung mit der UT zu wahren, die bis dahin die Referenz für die Zeitdienste im Rundfunk gewesen war. Von 1960 bis 1971 wurde der Takt der UTC-Atomuhren vom BIH verlangsamt, um die Synchronisation mit UT2 aufrechtzuerhalten, eine Praxis, die als "Gummisekunde" bekannt ist. Der UTC-Takt wurde zu Beginn eines jeden Jahres festgelegt und war in den Jahren 1960-1962 um -150 Teile pro 1010, in den Jahren 1962-63 um -130 Teile pro 1010, in den Jahren 1964-65 erneut um -150 Teile pro 1010 und in den Jahren 1966-1971 um -300 Teile pro 1010 langsamer als der Atomzeittakt. Neben der Verschiebung der Rate war gelegentlich ein Schritt von 0,1 s (0,05 s vor 1963) erforderlich. Dieser überwiegend frequenzverschobene UTC-Takt wurde unter anderem von MSF, WWV und CHU ausgestrahlt. 1966 genehmigte die CCIR die "gestufte Atomzeit" (SAT), bei der die Atomzeit in kürzeren Abständen von 0,2 s angepasst wurde, um sie innerhalb von 0,1 s von UT2 zu halten, da sie keine Tarifanpassungen hatte. SAT wurde unter anderem von WWVB ausgestrahlt. ⓘ
1972 wurde das Schaltsekundensystem eingeführt, so dass die UTC-Sekunden genau auf die SI-Standardsekunde eingestellt werden konnten, während die UTC-Tageszeit und die Änderungen des UTC-Datums weiterhin mit denen von UT1 synchronisiert blieben. Zu diesem Zeitpunkt lag die UTC-Uhr bereits 10 Sekunden hinter der TAI-Uhr zurück, die 1958 mit UT1 synchronisiert worden war, aber seither echte SI-Sekunden zählte. Seit 1972 ticken beide Uhren in SI-Sekunden, so dass die Differenz zwischen ihren Anzeigen zu jedem Zeitpunkt 10 Sekunden plus die Gesamtzahl der Schaltsekunden beträgt, die ab diesem Zeitpunkt auf UTC angewendet wurden; im Juni 2020 wurden 27 Schaltsekunden auf UTC angewendet, so dass die Differenz 10 + 27 = 37 Sekunden beträgt. ⓘ
Einfügung von Schaltsekunden
| Jahr | 30. Juni | 31. Dezember |
|---|---|---|
| 1972 | +1 | +1 |
| 1973 | 0 | +1 |
| 1974 | 0 | +1 |
| 1975 | 0 | +1 |
| 1976 | 0 | +1 |
| 1977 | 0 | +1 |
| 1978 | 0 | +1 |
| 1979 | 0 | +1 |
| 1980 | 0 | 0 |
| 1981 | +1 | 0 |
| 1982 | +1 | 0 |
| 1983 | +1 | 0 |
| 1984 | 0 | 0 |
| 1985 | +1 | 0 |
| 1986 | 0 | 0 |
| 1987 | 0 | +1 |
| 1988 | 0 | 0 |
| 1989 | 0 | +1 |
| 1990 | 0 | +1 |
| 1991 | 0 | 0 |
| 1992 | +1 | 0 |
| 1993 | +1 | 0 |
| 1994 | +1 | 0 |
| 1995 | 0 | +1 |
| 1996 | 0 | 0 |
| 1997 | +1 | 0 |
| 1998 | 0 | +1 |
| 1999 | 0 | 0 |
| 2000 | 0 | 0 |
| 2001 | 0 | 0 |
| 2002 | 0 | 0 |
| 2003 | 0 | 0 |
| 2004 | 0 | 0 |
| 2005 | 0 | +1 |
| 2006 | 0 | 0 |
| 2007 | 0 | 0 |
| 2008 | 0 | +1 |
| 2009 | 0 | 0 |
| 2010 | 0 | 0 |
| 2011 | 0 | 0 |
| 2012 | +1 | 0 |
| 2013 | 0 | 0 |
| 2014 | 0 | 0 |
| 2015 | +1 | 0 |
| 2016 | 0 | +1 |
| 2017 | 0 | 0 |
| 2018 | 0 | 0 |
| 2019 | 0 | 0 |
| 2020 | 0 | 0 |
| 2021 | 0 | 0 |
| 2022 | 0 | 0 |
| Jahr | 30. Juni | 31. Dezember |
| Gesamt | 11 | 16 |
| 27 | ||
| Aktuelle TAI - UTC | ||
| 37 | ||
Die Festlegung der Schaltsekunden wurde ursprünglich dem Bureau International de l'Heure (BIH) übertragen, ging aber am 1. Januar 1988 an den Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) über. Das IERS beschließt in der Regel, eine Schaltsekunde anzuwenden, wenn die Differenz zwischen UTC und UT1 sich 0,6 s nähert, damit die Differenz zwischen UTC und UT1 nicht mehr als 0,9 s beträgt. ⓘ
Der UTC-Standard erlaubt die Anwendung von Schaltsekunden am Ende eines beliebigen UTC-Monats, wobei Juni und Dezember und März und September den zweiten Vorzug erhalten. Seit Januar 2017 werden alle Schaltsekunden entweder am Ende des 30. Juni oder am Ende des 31. Dezember eingefügt. IERS veröffentlicht alle sechs Monate in seinem "Bulletin C" Ankündigungen darüber, ob Schaltsekunden stattfinden werden oder nicht. Solche Ankündigungen werden in der Regel lange vor jedem möglichen Schaltsekundentermin veröffentlicht - normalerweise Anfang Januar für den 30. Juni und Anfang Juli für den 31. Dezember. Einige Zeitzeichensendungen kündigen eine bevorstehende Schaltsekunde durch Sprachausgabe an. ⓘ
Zwischen 1972 und 2020 wurde im Durchschnitt etwa alle 21 Monate eine Schaltsekunde eingefügt. Die Abstände sind jedoch recht unregelmäßig und nehmen offenbar zu: In den sechs Jahren zwischen dem 1. Januar 1999 und dem 31. Dezember 2004 gab es keine Schaltsekunden, aber in den acht Jahren von 1972 bis 1979 neun Schaltsekunden. ⓘ
Im Gegensatz zu den Schalttagen, die nach dem 28. Februar um 23:59:59 Uhr Ortszeit beginnen, treten die UTC-Schaltsekunden weltweit gleichzeitig auf; so war die Schaltsekunde am 31. Dezember 2005 um 23:59:60 Uhr UTC 18:59:60 Uhr (18:59:60 Uhr) in der US-amerikanischen Eastern Standard Time und am 1. Januar 2006 um 08:59:60 Uhr (morgens) in der japanischen Standardzeit. ⓘ
Prozess
Wenn dies vorgeschrieben ist, wird eine positive Schaltsekunde zwischen der Sekunde 23:59:59 eines gewählten UTC-Kalenderdatums und der Sekunde 00:00:00 des folgenden Datums eingefügt. Die Definition von UTC besagt, dass der letzte Tag von Dezember und Juni bevorzugt wird, der letzte Tag von März oder September als zweite Präferenz und der letzte Tag eines beliebigen anderen Monats als dritte Präferenz. Alle Schaltsekunden (ab 2019) sind entweder für den 30. Juni oder den 31. Dezember geplant. Die zusätzliche Sekunde wird auf UTC-Uhren als 23:59:60 angezeigt. Bei Uhren, deren Ortszeit an die UTC-Zeit gekoppelt ist, kann die Schaltsekunde am Ende einer anderen Stunde (oder halben oder Viertelstunde) eingefügt werden, je nach lokaler Zeitzone. Eine negative Schaltsekunde würde die Sekunde 23:59:59 des letzten Tages eines bestimmten Monats unterdrücken, so dass auf die Sekunde 23:59:58 dieses Datums unmittelbar die Sekunde 00:00:00 des folgenden Datums folgen würde. Seit der Einführung der Schaltsekunden hat der mittlere Sonnentag die Atomzeit nur für sehr kurze Zeiträume überholt und keine negative Schaltsekunde ausgelöst. ⓘ
Verlangsamung der Erdrotation
Die Schaltsekunden sind unregelmäßig verteilt, weil sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde unregelmäßig ändert. In der Tat ist die Erdrotation auf lange Sicht ziemlich unvorhersehbar, was erklärt, warum Schaltsekunden nur sechs Monate im Voraus angekündigt werden. ⓘ
Ein mathematisches Modell der Schwankungen der Länge des Sonnentages wurde von F. R. Stephenson und L. V. Morrison entwickelt, das auf Aufzeichnungen von Finsternissen für den Zeitraum 700 v. Chr. bis 1623 n. Chr., auf teleskopischen Beobachtungen von Bedeckungen für den Zeitraum 1623 bis 1967 und auf Atomuhren für die Zeit danach beruht. Das Modell zeigt eine stetige Zunahme des mittleren Sonnentages um 1,70 ms (± 0,05 ms) pro Jahrhundert sowie eine periodische Verschiebung von etwa 4 ms Amplitude und einer Periode von etwa 1.500 Jahren. In den letzten Jahrhunderten lag die Verlängerungsrate des mittleren Sonnentages bei etwa 1,4 ms pro Jahrhundert, was der Summe aus der periodischen Komponente und der Gesamtrate entspricht. ⓘ
Der Hauptgrund für die Verlangsamung der Erdrotation ist die Gezeitenreibung, die allein den Tag um 2,3 ms/Jahrhundert verlängern würde. Weitere Faktoren sind die Bewegung der Erdkruste im Verhältnis zum Erdkern, Veränderungen in der Konvektion des Erdmantels und andere Ereignisse oder Prozesse, die eine erhebliche Umverteilung der Masse bewirken. Diese Prozesse verändern das Trägheitsmoment der Erde und wirken sich aufgrund der Drehimpulserhaltung auf die Rotationsrate aus. Einige dieser Umverteilungen erhöhen die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, verkürzen den Sonnentag und wirken der Gezeitenreibung entgegen. So verkürzt beispielsweise der Gletscherrückstoß den Sonnentag um 0,6 ms/Jahrhundert und das Erdbeben im Indischen Ozean von 2004 hat ihn vermutlich um 2,68 Mikrosekunden verkürzt. ⓘ
Es ist jedoch ein Fehler, Schaltsekunden als Indikatoren für eine (aktuelle) Verlangsamung der Erdrotation zu betrachten; sie sind vielmehr Indikatoren für die akkumulierte Differenz zwischen der Atomzeit und der durch die Erdrotation gemessenen Zeit. Die Grafik am Anfang dieses Abschnitts zeigt, dass die durchschnittliche Tageslänge im Jahr 1972 etwa 86400,003 Sekunden und im Jahr 2016 etwa 86400,001 Sekunden betrug, was auf eine allgemeine Zunahme der Erdrotation in diesem Zeitraum hinweist. Positive Schaltsekunden wurden in dieser Zeit eingefügt, weil die durchschnittliche jährliche Tageslänge größer als 86400 SI-Sekunden blieb, und nicht wegen einer Verlangsamung der Erdrotation. ⓘ
Im Jahr 2021 wurde berichtet, dass sich die Erde im Jahr 2020 schneller drehte und die 28 kürzesten Tage seit 1960 erlebte, von denen jeder weniger als 86399,999 Sekunden dauerte. Dies veranlasste Ingenieure weltweit, über eine negative Schaltsekunde und andere mögliche Maßnahmen zur Zeitmessung zu diskutieren, von denen einige die Schaltsekunden abschaffen könnten. ⓘ
Die Zukunft der Schaltsekunden
Die Zeitskalen TAI und UT1 sind genau definiert, die erste durch Atomuhren (und damit unabhängig von der Erdrotation) und die zweite durch astronomische Beobachtungen (die die tatsächliche Planetenrotation und damit die Sonnenzeit am Meridian von Greenwich messen). Die UTC (auf der die bürgerliche Zeitrechnung in der Regel basiert) ist ein Kompromiss, der mit Atomsekunden gestoppt, aber regelmäßig durch eine Schaltsekunde zurückgesetzt wird, um mit der UT1 übereinzustimmen. ⓘ
Die Unregelmäßigkeit und Unvorhersehbarkeit der UTC-Schaltsekunden ist für mehrere Bereiche problematisch, insbesondere für die Datenverarbeitung (siehe unten). Angesichts der steigenden Anforderungen an die Genauigkeit von Automatisierungssystemen und des Hochgeschwindigkeitshandels wirft dies eine Reihe von Fragen auf, da eine Schaltsekunde einen Sprung darstellt, der bis zu einer Million Mal größer ist als die für Industrieuhren erforderliche Genauigkeit. Daher wird die seit langem bestehende Praxis der Einfügung von Schaltsekunden von dem zuständigen internationalen Normungsgremium überprüft. ⓘ
Internationale Vorschläge zur Abschaffung der Schaltsekunden
Am 5. Juli 2005 sandte der Leiter des Earth Orientation Center des IERS eine Mitteilung an die Abonnenten der IERS-Bulletins C und D, in der er um Stellungnahmen zu einem Vorschlag der USA bat, der der WP7-A der ITU-R-Studiengruppe 7 vorgelegt wurde und die Abschaffung der Schaltsekunden aus dem UTC-Rundfunkstandard vor 2008 vorsieht (die ITU-R ist für die Definition der UTC zuständig). Der Vorschlag sollte im November 2005 behandelt werden, aber die Diskussion wurde seitdem verschoben. Der Vorschlag sieht vor, die Schaltsekunden technisch durch Schaltstunden zu ersetzen, um den rechtlichen Anforderungen mehrerer ITU-R-Mitgliedsländer gerecht zu werden, wonach die zivile Zeit astronomisch an die Sonne gebunden ist. ⓘ
Gegen den Vorschlag wurde eine Reihe von Einwänden erhoben. P. Kenneth Seidelmann, Herausgeber des Erläuternden Zusatzes zum Astronomischen Almanach, beklagte in einem Brief das Fehlen einer einheitlichen öffentlichen Information über den Vorschlag und einer angemessenen Begründung. Steve Allen von der University of California, Santa Cruz, zitierte in einem Artikel in Science News die seiner Meinung nach großen Auswirkungen auf die Astronomen. Er hat eine umfangreiche Online-Site, die sich mit der Problematik und der Geschichte der Schaltsekunden befasst, einschließlich einer Reihe von Verweisen auf den Vorschlag und Argumenten gegen ihn. ⓘ
Auf der Generalversammlung der International Union of Radio Scientists (URSI) im Jahr 2014 präsentierte Demetrios Matsakis, der leitende Wissenschaftler für Zeitdienste am United States Naval Observatory, die Argumente für die Neudefinition und die Gegenargumente. Er wies darauf hin, dass Softwareprogrammierer in der Praxis nicht in der Lage sind, die Tatsache zu berücksichtigen, dass Schaltsekunden die Zeit scheinbar rückwärts laufen lassen, zumal die meisten von ihnen nicht einmal wissen, dass es Schaltsekunden gibt. Die Möglichkeit, dass Schaltsekunden eine Gefahr für die Schifffahrt darstellen, wurde ebenso dargelegt wie die beobachteten Auswirkungen auf den Handel. ⓘ
Die Vereinigten Staaten formulierten ihren Standpunkt in dieser Angelegenheit auf der Grundlage des Gutachtens der National Telecommunications and Information Administration und der Federal Communications Commission (FCC), die Kommentare aus der Öffentlichkeit einholten. In dieser Stellungnahme wird die Neudefinition befürwortet. ⓘ
Im Jahr 2011 erklärte Chunhao Han vom Beijing Global Information Center of Application and Exploration, China habe noch nicht entschieden, wie es im Januar 2012 abstimmen werde, aber einige chinesische Wissenschaftler hielten es aufgrund der chinesischen Tradition für wichtig, eine Verbindung zwischen bürgerlicher und astronomischer Zeit beizubehalten. Die Abstimmung 2012 wurde schließlich verschoben. Auf einem von der ITU/BIPM gesponserten Workshop über die Schaltsekunde sprach sich Han persönlich für die Abschaffung der Schaltsekunde aus, und eine ähnliche Unterstützung für die Neudefinition wurde von Han zusammen mit anderen chinesischen Zeitmessungswissenschaftlern auf der URSI-Generalversammlung im Jahr 2014 erneut geäußert. ⓘ
Auf einer Sondersitzung des Asia-Pacific Telecommunity Meeting am 10. Februar 2015 erklärte Chunhao Han, dass China nun die Abschaffung künftiger Schaltsekunden unterstütze, ebenso wie alle anderen anwesenden nationalen Vertreter (aus Australien, Japan und der Republik Korea). Bei diesem Treffen äußerten Bruce Warrington (NMI, Australien) und Tsukasa Iwama (NICT, Japan) besondere Bedenken für die Finanzmärkte, da die Schaltsekunde in ihrem Teil der Welt mitten an einem Werktag stattfinde. Im Anschluss an die CPM15-2-Sitzung im März/April 2015 enthält der Entwurf vier Methoden, die die WRC-15 anwenden könnte, um die Entschließung 653 der WRC-12 zu erfüllen. ⓘ
Zu den Argumenten gegen den Vorschlag gehören die unbekannten Kosten einer so großen Änderung und die Tatsache, dass die Weltzeit nicht mehr der mittleren Sonnenzeit entsprechen wird. Es wird auch entgegnet, dass es bereits zwei Zeitskalen gibt, die sich nicht an Schaltsekunden orientieren, nämlich die Internationale Atomzeit (TAI) und die GPS-Zeit (Global Positioning System). Computer könnten beispielsweise diese verwenden und für die Ausgabe je nach Bedarf in UTC oder lokale Zivilzeit umrechnen. Preisgünstige GPS-Zeitempfänger sind leicht erhältlich, und die Satellitenübertragungen enthalten die notwendigen Informationen zur Umrechnung der GPS-Zeit in UTC. Es ist auch einfach, die GPS-Zeit in TAI umzurechnen, da die TAI der GPS-Zeit immer genau 19 Sekunden voraus ist. Beispiele für Systeme, die auf der GPS-Zeit basieren, sind die digitalen CDMA-Mobilfunksysteme IS-95 und CDMA2000. Im Allgemeinen verwenden Computersysteme UTC und synchronisieren ihre Uhren mit dem Network Time Protocol (NTP). Systeme, die keine Störungen durch Schaltsekunden vertragen, können ihre Zeit auf TAI basieren und das Precision Time Protocol verwenden. Das BIPM hat jedoch darauf hingewiesen, dass diese Vielzahl von Zeitskalen zu Verwirrung führt. ⓘ
Auf der 47. Sitzung des zivilen Global Positioning System Service Interface Committee im September 2007 in Fort Worth, Texas, wurde angekündigt, dass eine Abstimmung über die Abschaffung der Schaltsekunden auf dem Postweg stattfinden würde. Der Plan für die Abstimmung lautete:
- April 2008: Die ITU-Arbeitsgruppe 7A wird der ITU-Studiengruppe 7 eine Projektempfehlung zur Abschaffung der Schaltsekunden vorlegen.
- Im Laufe des Jahres 2008 wird die Studiengruppe 7 eine Abstimmung per Post unter den Mitgliedsstaaten durchführen
- Oktober 2011: Die ITU-R veröffentlicht ihr Statuspapier, Status of Coordinated Universal Time (UTC) study in ITU-R, in Vorbereitung auf das Treffen im Januar 2012 in Genf; das Papier berichtet, dass bis dato als Reaktion auf die webbasierten Umfragen der UN-Agentur von 2010 und 2011, in denen um Beiträge zu diesem Thema gebeten wurde, 16 Antworten von den 192 Mitgliedstaaten eingegangen sind, wobei "13 für eine Änderung und 3 dagegen sind."
- Januar 2012: Die ITU trifft eine Entscheidung.
Im Januar 2012 beschloss die ITU, eine Entscheidung über die Schaltsekunden auf die Weltfunkkonferenz im November 2015 zu verschieben, anstatt sich für oder gegen diesen Plan zu entscheiden. Auf dieser Konferenz wurde erneut beschlossen, die Schaltsekunden bis zu weiteren Untersuchungen und Überlegungen auf der nächsten Konferenz im Jahr 2023 weiter zu verwenden. ⓘ
Im Oktober 2014 legte Włodzimierz Lewandowski, Vorsitzender des Unterausschusses für Zeitmessung des Civil GPS Interface Service Committee und Mitglied des ESA Navigation Program Board, der ITU eine vom CGSIC unterstützte Resolution vor, in der die Neudefinition befürwortet und Schaltsekunden als "Gefahr für die Navigation" bezeichnet wurden. ⓘ
Einige der Einwände gegen die vorgeschlagene Änderung wurden von ihren Gegnern beantwortet. So stellte Felicitas Arias, die als Direktorin der Abteilung Zeit, Frequenz und Gravimetrie des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) für die Erstellung der UTC verantwortlich war, in einer Pressemitteilung fest, dass die Abweichung von etwa einer Minute alle 60-90 Jahre mit der jährlichen Abweichung von 16 Minuten zwischen der wahren Sonnenzeit und der mittleren Sonnenzeit, dem Versatz von einer Stunde durch die Nutzung der Tageszeit und dem mehrstündigen Versatz in bestimmten geografisch besonders großen Zeitzonen verglichen werden kann. ⓘ
Probleme, die durch das Einfügen (oder Entfernen) von Schaltsekunden entstehen
Berechnung der Zeitunterschiede und der Abfolge der Ereignisse
Die Berechnung der verstrichenen Zeit in Sekunden zwischen zwei gegebenen UTC-Daten erfordert die Konsultation einer Schaltsekundentabelle, die jedes Mal aktualisiert werden muss, wenn eine neue Schaltsekunde angekündigt wird. Da Schaltsekunden nur 6 Monate im Voraus bekannt sind, können Zeitintervalle für weiter in der Zukunft liegende UTC-Daten nicht berechnet werden. ⓘ
Fehlende Ankündigung von Schaltsekunden
Obwohl das BIPM eine Schaltsekunde 6 Monate im Voraus ankündigt, kündigen die meisten Zeitverteilungssysteme (SNTP, IRIG-B, PTP) Schaltsekunden höchstens 12 Stunden im Voraus an, manchmal erst in der letzten Minute und manche sogar überhaupt nicht (DNP 03). Uhren, die nicht regelmäßig synchronisiert werden, können eine Schaltsekunde verpassen, können aber trotzdem behaupten, perfekt synchronisiert zu sein. ⓘ
Unterschiede in der Umsetzung
Schaltsekunden werden nicht von allen Uhren auf dieselbe Weise umgesetzt. Schaltsekunden in der Unix-Zeit werden üblicherweise durch Wiederholung von 23:59:59 oder Hinzufügen des Zeitstempels 23:59:60 realisiert. Das Network Time Protocol (SNTP) friert die Zeit während der Schaltsekunde ein, einige Zeitserver melden "Alarmzustand". Andere Systeme verschmieren die Zeit in der Nähe einer Schaltsekunde, indem sie die Sekunde der Änderung über einen längeren Zeitraum verteilen. Auf diese Weise sollen negative Auswirkungen eines (nach heutigen Maßstäben) erheblichen Zeitsprungs vermieden werden. ⓘ
Textliche Darstellung der Schaltsekunde
Die textuelle Darstellung einer Schaltsekunde wird vom BIPM als "23:59:60" definiert. Es gibt Programme, die mit diesem Format nicht vertraut sind und bei einer solchen Eingabe möglicherweise einen Fehler melden. ⓘ
Binäre Darstellung der Schaltsekunde
Die meisten Computer-Betriebssysteme und die meisten Zeitverteilungssysteme stellen die Zeit mit einem binären Zähler dar, der die Anzahl der seit einer beliebigen Epoche verstrichenen Sekunden angibt, z. B. seit 1970-01-01 00:00:00 in POSIX-Maschinen oder seit 1900-01-01 00:00:00 in NTP. Dieser Zähler zählt keine positiven Schaltsekunden und hat keinen Indikator dafür, dass eine Schaltsekunde eingefügt wurde, so dass zwei aufeinander folgende Sekunden den gleichen Zählerwert haben. Einige Computer-Betriebssysteme, insbesondere Linux, weisen der Schaltsekunde den Zählerwert der vorangegangenen Sekunde 23:59:59 zu (59-59-0-Sequenz), während andere Computer (und die IRIG-B-Zeitverteilung) der Schaltsekunde den Zählerwert der nächsten Sekunde 00:00:00 zuweisen (59-0-0-Sequenz). Da es keine Norm für diese Sequenz gibt, kann der Zeitstempel von Werten, die zur exakt gleichen Zeit abgetastet wurden, um eine Sekunde abweichen. Dies kann zu Fehlern in zeitkritischen Systemen führen, die sich auf zeitgestempelte Werte verlassen. ⓘ
Andere gemeldete Softwareprobleme im Zusammenhang mit der Schaltsekunde
Mehrere Modelle von Satellitenempfängern für die globale Navigation weisen Softwarefehler im Zusammenhang mit Schaltsekunden auf:
- Einige ältere Versionen der Motorola Oncore VP, UT, GT und M12 GPS-Empfänger hatten einen Softwarefehler, der dazu führte, dass ein einzelner Zeitstempel um einen Tag verschoben wurde, wenn für 256 Wochen keine Schaltsekunde vorgesehen war. Am 28. November 2003 war dies der Fall. Um Mitternacht meldeten die Empfänger mit dieser Firmware für eine Sekunde den 29. November 2003 und kehrten dann zum 28. November 2003 zurück.
- Ältere Trimble-GPS-Empfänger wiesen einen Softwarefehler auf, der dazu führte, dass eine Schaltsekunde unmittelbar nach Beginn der Übertragung der nächsten Schaltsekunde durch die GPS-Konstellation eingefügt wurde (einige Monate vor der tatsächlichen Schaltsekunde), anstatt auf die nächste Schaltsekunde zu warten. Dies führte dazu, dass die Zeit des Empfängers in der Zwischenzeit um eine Sekunde abwich.
- Ältere Datum Tymeserve 2100 GPS-Empfänger und Symmetricom Tymeserve 2100 Empfänger wenden eine Schaltsekunde an, sobald sie eine Schaltsekundenmeldung erhalten, anstatt auf das richtige Datum zu warten. Der Hersteller unterstützt diese Modelle nicht mehr, und es ist keine korrigierte Software verfügbar. Es wurde eine Abhilfe beschrieben und getestet, aber wenn das GPS-System die Ankündigung erneut sendet oder das Gerät ausgeschaltet wird, tritt das Problem erneut auf.
- Bei vier verschiedenen Marken von Navigationsempfängern, die Daten von BeiDou-Satelliten verwenden, wurde festgestellt, dass Schaltsekunden einen Tag zu früh implementiert werden. Dies wurde auf einen Fehler zurückgeführt, der damit zusammenhängt, wie das BeiDou-Protokoll die Wochentage zählt. ⓘ
Mehrere Softwarehersteller haben Software vertrieben, die mit dem Konzept der Schaltsekunden nicht richtig funktioniert hat:
- Das NTP-Protokoll sieht eine Markierung vor, die den Empfänger darüber informiert, dass eine Schaltsekunde bevorsteht. Einige NTP-Server-Implementierungen haben es jedoch versäumt, ihr Schaltsekunden-Flag korrekt zu setzen. Einige NTP-Server haben bis zu einem Tag nach der Einfügung einer Schaltsekunde mit der falschen Zeit geantwortet.
- Eine Reihe von Organisationen meldete Probleme, die durch fehlerhafte Software nach der Schaltsekunde vom 30. Juni 2012 verursacht wurden. Zu den Websites, die Probleme meldeten, gehörten Reddit (Apache Cassandra), Mozilla (Hadoop), Qantas und verschiedene Websites mit Linux.
- Trotz der Aufmerksamkeit, die der Schaltsekunde 2015 zuteil wurde, kam es zu einer kleinen Anzahl von Netzwerkausfällen, die auf schaltsekundenbedingte Softwarefehler einiger Router zurückzuführen waren. Mehrere ältere Versionen des NEXUS 5000 Series Operating System NX-OS von Cisco Systems (Versionen 5.0, 5.1, 5.2) sind von Schaltsekundenfehlern betroffen. ⓘ
Einige Unternehmen und Dienstanbieter waren von Schaltsekunden-bezogenen Softwarefehlern betroffen:
- Im Jahr 2015 kam es zu Unterbrechungen bei Twitter, Instagram, Pinterest, Netflix, Amazon und der Musik-Streaming-Serie Beats 1 von Apple.
- Schaltsekunden-Softwarefehler in Linux betrafen 2015 Berichten zufolge das von Qantas und Virgin Australia genutzte Reservierungssystem der Fluggesellschaft Altea.
- Cloudflare war von einem Schaltsekunden-Softwarefehler betroffen. Die DNS-Resolver-Implementierung von Cloudflare berechnete fälschlicherweise eine negative Zahl, als sie zwei Zeitstempel aus der
time.Now()-Funktion der Programmiersprache Go subtrahierte, die dann nur eine Echtzeit-Uhrquelle verwendete. Dies hätte durch die Verwendung einer monotonen Zeitquelle vermieden werden können, die inzwischen in Go 1.9 hinzugefügt wurde. - Die Intercontinental Exchange, Muttergesellschaft von 7 Clearinghäusern und 11 Börsen, darunter die New York Stock Exchange, beschloss, den Betrieb zum Zeitpunkt der Schaltsekunde am 30. Juni 2015 für 61 Minuten einzustellen. ⓘ
Es bestand die unbegründete Sorge, dass landwirtschaftliche Geräte, die während der Ernte am 31. Dezember 2016 GPS-Navigation nutzen, von der Schaltsekunde 2016 betroffen sein könnten. Die GPS-Navigation nutzt die GPS-Zeit, die von der Schaltsekunde nicht betroffen ist. ⓘ
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 zehn Tage zwischen dem 4. und dem 15. Oktober übersprungen wurden. ⓘ
Abhilfemaßnahmen für Schaltsekundenprobleme
Die naheliegendste Lösung ist die Verwendung der TAI-Skala für alle operationellen Zwecke und die Umrechnung in UTC für für Menschen lesbaren Text. UTC kann immer von TAI mit einer geeigneten Tabelle für Schaltsekunden abgeleitet werden. Die Society of Motion Picture and Television Engineers (SMPTE), das Normungsgremium der Video-/Audioindustrie, hat TAI für die Ableitung von Zeitstempeln für Medien gewählt. Die IEC/IEEE 60802 (Time sensitive networks) schreibt TAI für alle Vorgänge vor. Die Netzautomatisierung plant die Umstellung auf TAI für die globale Verteilung von Ereignissen in Stromnetzen. Bluetooth-Mesh-Networking verwendet ebenfalls TAI. ⓘ
Anstatt am Ende des Tages eine Schaltsekunde einzufügen, führen die Google-Server eine "Schaltsekunde" ein, bei der die Sekunden über einen Zeitraum von 24 Stunden um die Schaltsekunde herum leicht verlängert werden. Amazon folgte bei der Einführung der Schaltsekunde am 30. Juni 2015 einem ähnlichen, aber leicht abweichenden Muster, was zu einem weiteren Fall der Verbreitung von Zeitskalen führte. Später wurde ein NTP-Dienst für EC2-Instanzen veröffentlicht, der die Schaltsekunde ausgleicht. UTC-SLS wurde als eine Version von UTC mit linearer Schaltsekunde vorgeschlagen, wurde aber nie zum Standard. ⓘ
Es wurde vorgeschlagen, dass Medienclients, die das Echtzeit-Transportprotokoll verwenden, die Erzeugung oder Verwendung von NTP-Zeitstempeln während der Schaltsekunde und der vorangehenden Sekunde verhindern. ⓘ
Das NIST hat einen speziellen NTP-Zeitserver eingerichtet, der UT1 anstelle von UTC liefert. Ein solcher Server wäre besonders nützlich für den Fall, dass die ITU-Resolution verabschiedet wird und keine Schaltsekunden mehr eingefügt werden. Astronomische Observatorien und andere Nutzer, die UT1 benötigen, könnten mit UT1 arbeiten - obwohl diese Nutzer in vielen Fällen bereits UT1-UTC vom IERS herunterladen und Korrekturen in Software vornehmen. ⓘ