Sekunda przestępna. Problem większy niż wiosenna zmiana czasu

O roku przestępnym, gdy luty ma 29 dni, słyszał każdy. Rok 2024 jest przestępny, a ta przestępność ma związek z obiegiem Ziemi wokół Słońca i jej kolejnymi przejściami przez punkt równonocy wiosennej (punkt Barana). Długości tak zwanego roku zwrotnikowego nie da się wyrazić całkowitą liczbą dni i co pewien czas trzeba korygować powstałą różnicę. Tymczasem są też przestępne sekundy, a ich znaczenie jest już znacznie bardziej złożoną kwestią. Mają one związek z koniecznością synchronizacji zegarów, gdyż czasu trwania doby nie da się wyrazić jako całkowitą liczbę sekund. A tak sugerują to nam nasze zegarki, które wskazują czas od godziny 0:00:00 do 23:59:59.

Cezowy zegar atomowy w latach 70. XX wieku. (fot: David Wineland/NIST)

Dzisiejsza definicja sekundy ma związek z własnościami atomu Cezu 133. Bazujące na tym zegary atomowe charakteryzują się dokładnością w skali milionów lat. Obecnie nasze urządzenia, które mają dostęp do internetowych lub radiowych wzorców czasu, są w stanie synchronizować się z czasem wyznaczanym przez zegary atomowe. W epoce mechanicznych czasomierzy precyzja odmierzania czasu świadczyła o dokładności wykonania elementów takiego zegara, dziś jednak trudno nam wskazać, czy urządzenie się śpieszy czy późni. Od tej precyzji są wyjątki, bo może okazać się, że źle działa system wyznaczający podstawę pomiaru czasu i nagle nasz zegarek zacznie przyśpieszać lub zwalniać, jeśli nie jest często synchronizowany.

Ziemia nie wykonuje pełnego obrotu w 24 godziny

Psikusa w wyznaczaniu właściwego czasu urzędowego sprawia nam Ziemia. Samo tempo rotacji naszej planety maleje w tempie około 2 milisekund na stulecie, co powoli wydłuża dzień. Głównym odpowiedzialnym jest powoli oddalający się od Ziemi Księżyc, ale nie to jest przyczyną, która wymusza stosowanie sekund przestępnych.

Urzędową dobę definiujemy dokładnie jako 86400 sekund, czyli 24 godziny, z których każda ma 60 minut, a każda minuta zawiera w sobie 60 sekund. Przyjmując obecną definicję sekundy, okaże się, że faktyczny czas obrotu Ziemi wokół osi względem Słońca nie jest równy dokładnie 24 godzinom. Kiedyś czas ten wynosił więcej, teraz nieznacznie mniej.

Idealny zegarek każdego dnia tuż przed północą powinien, zależnie od tego ile faktycznie trwał pełen obrót Ziemi, dokonywać natychmiastowej korekty wskazań. Jednak jest to na razie niemożliwe, bo nie znamy długości danej doby, dopóki nie upłynie.

Rozbieżność rzeczywistej długości doby a długości urzędowej kumulują się. Nawet jeśli są to sekundy, interwał czasu zauważalny przez nasze zmysły, to jest to różnica, którą zignorujemy. Jednak systemy komputerowe, nawigacja satelitarna i inne urządzenia, dla których dokładność pomiaru czasu z uwzględnieniem rotacji Ziemi jest istotna, w pewnym momencie mogą wymagać korekty wzorca czasu.

W czasach przed zegarami atomowymi, ruch gwiazd na sferze niebieskiej, a także Słońca, wykorzystywano do wyznaczania czasu. (fot: R. Wesson/ESO)

Skąd bierze się sekunda przestępna?

Zegary czasu UTC (Uniwersalny Czas Koordynowany, którego postawą jest TAI, czyli Międzynarodowy Czas Atomowy) oraz zegary czasu UT1 (Czas Uniwersalny) nie są idealnie zsynchronizowane. Różnica pomiędzy wskazaniami czasu UTC a czasu UT1 rośnie. Ten drugi (UT1) jako 24 godziny traktuje średni czas pełnego obrotu Ziemi względem Słońca (a dokładnie względem środka ciężkości Układu Słonecznego).

Gdy jest bliska sekundzie (co oznacza, że w najbliższych miesiącach może przekroczyć sekundę), Departament Czasu w Międzynarodowym Biurze Wag i Miar we Francji podejmuje decyzję o dodaniu sekundy przestępnej we wszystkich wzorcach czasu. My nawet nie zauważymy, że co kilka lat mamy dzień, który trwa o sekundę dłużej.

W ten sposób synchronizujemy zegar czasu UTC, od którego uzależniony jest czas wyznaczany przez nasze urządzenia, by był ponownie zgodny z czasem UT1. Nie eliminujemy tutaj problemu długości doby, która w rzeczywistości nie trwa dokładnie 24 godzin, ale usuwamy rosnącą różnicę wskazań. Sekunda przestępna dodawana jest od 1972 r. do czasu UTC. Zależnie od decyzji francuskiego urzędu dzieje się to pod koniec ostatniego dnia czerwca lub grudnia. Dotychczas zrobiono to 27 razy, a ostatnio dokonano tego w 2016 r.

Szary wykres i jego uśredniona roczna wartość (kolor zielony) pokazują, o ile doba jest dłuższa niż 24 godziny. Jak widać, Ziemia nie tylko zwalnia rotację. Ostatnia dekada to stopniowe przyśpieszanie. Czerwony wykres to skumulowane różnice pomiędzy czasem UTC i UT1. Kropki wskazują lata, gdy dodawano sekundę przestępną.

Ze względu na strefę czasową Polski zmiana nastąpiła 1 stycznia 2017 r., gdy mieliśmy już godzinę 00:59:60. Sekundy przestępne nie są jednak dodawane regularnie, co widać na diagramie powyżej. W tym roku mija 8 lat odkąd tej zmiany nie wprowadzono. Jaki jest tego powód? Bo chyba trudno posądzać kogoś o przeoczenie.

Zamieszanie w pomiarach długości doby - winne nie tylko globalne ocieplenie

To niesamowite, ale dziś jesteśmy w stanie wykryć fluktuacje tempa rotacji Ziemi nawet w skali tygodni czy dni. I okazuje się, że trend polegający na stopniowym spowalnianiu rotacji Ziemi jest wspierany nie tylko przez oddziaływanie Księżyca, ale też przez działalność człowieka.

Topniejące zasoby lodu w okolicach biegunowych to dziś fakt, z którym nikt nie polemizuje.

Mamy globalne ocieplenie, w wyniku którego lodowce topnieją, uwalniając ogromną masę wody do oceanów. Rotacja Ziemi wpływa na jej przemieszczenie się w stronę okolic równikowych, zmienia się rozkład masy, a to dodatkowo zwalnia obrót naszej planety. Oznaczałoby to jednak, że sekundy przestępne powinny być dodawane częściej, bo szybciej rośnie różnica pomiędzy czasem UTC, a UT1. Tak się jednak nie dzieje. Dlaczego?

Okazuje się, że sporo dzieje się w jądrze Ziemi. Nie do końca jeszcze to rozumiemy, ale procesy głęboko pod skorupą naszej planety kompensują to co zostało przyspieszone przez globalne ocieplenie. Rotacja jądra zwalnia, co sprawia, że zewnętrzna część Ziemi musi poruszać się szybciej. Najbliższa sekunda przestępna może więc zostać dodana pomiędzy 2026 a 2029 r. Jednak i to nie jest takie pewne.

Jeśli wpływ zjawisk w jądrze Ziemi się utrzyma, a ta wciąż będzie zwalniać tempo rotacji, może dojść do sytuacji, że zamiast dodawać sekundę przestępną będziemy musieli ją tym razem odjąć. Oczywiście nie oznacza to, że tracimy sekundę z życia, podobnie jak zmiana czasu urzędowego nie zmusza nas do spania godzinę krócej czy dłużej.

Ujemna sekunda przestępna. I to jest poważny kłopot

Odjęcie sekundy może wydać się prostą operacją. W rzeczywistości to co innego niż cofanie zegarków o godzinę, bo dokonujemy zmiany we wzorcu czasu, a nie robiliśmy tego jeszcze nigdy. I to jest problem, bo nie wiadomo jak w tej sytuacji zachowają się różne ziemskie systemy. Część jest przystosowana do takiej korekty, a inne nie.

Zmiana czasu urzędowego jest zmianą techniczną, stosowaną tylko przez niektóre państwa, która bardziej przypomina zmianę strefy czasowej o jedną godzinę podczas lotu samolotem. Sekunda przestępna wpływa na to, jaki mamy czas w każdym miejscu na Ziemi i nie jest cofana podczas kolejnej zmiany czasu.

Jak widać sekunda przestępna, która ma usprawniać nasz system wyznaczania czasu, stawia nas przed poważnymi wyzwaniami. Dlatego podjęto decyzję, by dążyć do jej wyeliminowania, co nastąpić ma przed 2035 r. To prawdopodobnie pozwoli uchronić nas przed koniecznością zastosowania ujemnej sekundy przestępnej.

Jednak nie oznacza to, że różnica czasu UTC i UT1 zniknie, choć obecnie z roku na rok praktycznie nie ulega zmianie. Ludzkość musi wypracować inny standard regulowania czasu na Ziemi, bazujący na jeszcze doskonalszych zegarach atomowych. Najdokładniejszy obecnie zegar, wykorzystujący 40 tysięcy atomów strontu oscylujących w jednym wymiarze i temperaturze bliskiej zera absolutnego, jest tak dokładny, że spóźni się o jedną sekundę dopiero po 40 miliardach lat.