Schaltsekunde

Eine Schaltsekunde ist eine in die offizielle Zeit zusätzlich eingefügte Sekunde, um sie in der Nähe der Mittleren Sonnenzeit zu halten.

Liste aller Schaltsekunden

Jahr	30. Juni nach 23:59:59 UTC	31. Dezember nach 23:59:59 UTC
1972	+1 Sekunde	+1 Sekunde
1973		+1 Sekunde
1974		+1 Sekunde
1975		+1 Sekunde
1976		+1 Sekunde
1977		+1 Sekunde
1978		+1 Sekunde
1979		+1 Sekunde
1981	+1 Sekunde
1982	+1 Sekunde
1983	+1 Sekunde
1985	+1 Sekunde

Jahr	30. Juni nach 23:59:59 UTC	31. Dezember nach 23:59:59 UTC
1987		+1 Sekunde
1989		+1 Sekunde
1990		+1 Sekunde
1992	+1 Sekunde
1993	+1 Sekunde
1994	+1 Sekunde
1995		+1 Sekunde
1997	+1 Sekunde
1998		+1 Sekunde
2005		+1 Sekunde
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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 der Sekunde 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 Gezeitenwirkung des Mondes 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 Alltags-Zeitskala 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 immer am 1. Januar oder 1. Juli vor 00:00:00 UTC (also vor 1:00 MEZ bzw. 2:00 MESZ) eingefügt.

Die Anweisung, eine Schaltsekunde einzufügen, wird immer dann gegeben, wenn der Unterschied zwischen UTC und UT1 in nächster Zeit größer als 0,9 Sekunden werden wird. Nach 23:59:59 UTC des Vortages wird in diesem Fall eine zusätzliche Sekunde bei 23:59:60 gezählt, bevor die Uhr tatsächlich auf 00:00:00 umspringt. Das bedeutet, dass der Vortag aus 86401 Atomsekunden, statt der üblichen 86400, besteht. Für den Fall, dass die Erdrotation schneller werden würde, sind auch negative Schaltsekunden möglich. In diesem Fall würde auf 23:59:58 direkt 00:00:00 folgen. Dies ist jedoch noch nie eingetreten. Zwar beschleunigt sich seit Ende der 1970er-Jahre die Geschwindigkeit der Erdrotation tendenziell (im Rahmen einer der üblichen vorübergehenden Geschwindigkeitsschwankungen), so dass Schaltsekunden seither weniger häufig notwendig waren. Ein Tag ist jedoch zur Zeit immer noch länger als die nominellen 86400 Atomsekunden, so dass der Ausgleich nach wie vor durch positive Schaltsekunden erfolgen muss.

Zukunft

Da die Verlangsamung der Erdrotation unregelmäßig ist, ist eine Vorhersage, ob eine Schaltsekunde notwendig wird, nur auf kurze Frist im Voraus 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.

Es ist Aufgabe des International Earth Rotation and Reference Systems Service (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 unnötige Fehlerquelle für zahlreiche Computersysteme sei. Dann müssen kleine Anpassungen nicht mehr in unregelmäßigen Abständen durchgeführt werden, sondern es würde stattdessen etwa im Jahr 2600 eine ganze Schaltstunde auf einmal eingefügt.

Siehe auch

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

IERS Rapid Service/Prediction Center: http://maia.usno.navy.mil/
IERS-Bulletin, in dem Schaltsekunden angekündigt werden: http://www.iers.org/iers/publications/bulletins/bull_c/
IERS-Informationen über das Bulletin C und wann Schaltsekunden auftreten können: http://hpiers.obspm.fr/eoppc/bul/bulc/BULLETINC.GUIDE
IERS-Archiv mit alten Ankündigungen: http://www.iers.org/iers/earth/rotation/utc/table2.html
USNO-Artikel über Schaltsekunden
Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) über Schaltsekunden, mit Liste
Meinberg Funkuhren: Erklärungen zur Schaltsekunde für GPS, DCF77 und NTP

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