Zeitmessung 08.07.2024, 11:08 Uhr

Schaltsekunden: Warum die Welt dieses Jahr ohne Extra-Sekunde auskommen muss

Schaltsekunden sind entscheidend für die Genauigkeit von Computernetzen, Finanzmärkten und GPS-Systemen, da sie sicherstellen, dass die genaue Zeit stets verfügbar ist. Im Jahr 2024 wird laut dem IERS keine Schaltsekunde eingefügt.

Schaltsekunde

Das Rätsel der Schaltsekunde: Wie die Erde und ihre Uhren synchronisiert bleiben.

Foto: PantherMedia / alexlmx

Computernetze, Finanzmärkte und GPS-Systeme hängen davon ab, dass wir immer und überall die genaue Zeit kennen. Atomuhren sorgen für diese Präzision. Aber ihre Zeit stimmt nicht immer mit der Tageslänge der Erde überein.

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Der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) hat mitgeteilt, dass im Jahr 2024 keine Schaltsekunde eingeführt wird. Dies liegt an der geringen Differenz zwischen der mit Atomuhren gemessenen Zeit (UTC) und der an der Erdrotation orientierten Zeit (UT1). Die Abweichung darf bis zu 0,9 Sekunden betragen, weshalb eine Schaltsekunde nicht immer notwendig ist.

Was versteht man unter der Schaltsekunde?

Die Schaltsekunde ist eine zusätzliche Sekunde, die gelegentlich in die koordinierte Weltzeit (UTC) eingefügt wird, um den Unterschied zwischen der Zeitmessung durch Atomuhren (TAI) und der durch die Erdrotation bestimmten Zeit (UT1) auszugleichen. Diese Anpassung ist notwendig, weil die Erdrotation nicht konstant ist und geringfügigen Schwankungen unterliegt, während Atomuhren extrem präzise sind.

Früher wurde die Dauer einer Sekunde anhand der Tageslänge bestimmt. Die Erde dreht sich und die Sonne überquert dabei täglich den Himmel. Wenn man die Zeit zwischen diesen Überquerungen misst und den Durchschnitt des Jahres durch 86.400 (die Anzahl der Sekunden in 24 Stunden) teilt, erhält man die ursprüngliche „Weltzeitsekunde“. Diese wird heute noch in der Universalzeit (UT1) verwendet, die in den Geowissenschaften und der Astronomie gebräuchlich ist.

Ein Problem bei dieser Definition ist, dass die Erde sich nicht mit konstanter Geschwindigkeit dreht, wodurch sich die Länge einer Sekunde ständig ändert.

Was versteht man unter der Atomsekunde?

Wenn solche Atome mit Mikrowellen einer ganz bestimmten Frequenz bestrahlt werden, wechseln sie zwischen zwei Zuständen. Diese Frequenz dient als Taktgeber für Atomuhren, wie sie in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt verwendet werden. Eine Sekunde entspricht der Zeit, in der die Mikrowellen 9.192.631.770-mal schwingen. Ausführlicher über die Atomuhre, kann man bei vdi-nachrichten ausführlich nachlesen.

Die Sekunde, die an die Tageslänge gebunden war, wurde dadurch länger als die Atomsekunde, wodurch die Universalzeit und die koordinierte Weltzeit auseinander drifteten. Zur Lösung dieses Problems wurde die Schaltsekunde eingeführt. Wenn die Differenz zwischen der Tageslänge und der Atomsekunde eine halbe Sekunde erreichte, wurde der koordinierten Weltzeit eine zusätzliche Sekunde hinzugefügt. Diese Schaltsekunden werden eingeführt, um sicherzustellen, dass die Differenz zwischen UTC und UT1 nicht mehr als 0,9 Sekunden beträgt. Sie werden üblicherweise am Ende des 30. Juni oder des 31. Dezember eingefügt, und der Internationale Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) überwacht diese Differenz und trifft die Entscheidung über die Einführung einer Schaltsekunde.

Differenz zwischen der Zeitmessung ausgleichen

Die Einführung von Schaltsekunden in die koordinierte Weltzeit (UTC) begann im Jahr 1972. Seitdem wurden insgesamt 27 Schaltsekunden hinzugefügt, um die Differenz zwischen der Zeitmessung durch Atomuhren (TAI) und der durch die Erdrotation bestimmten Zeit (UT1) auszugleichen. Schaltsekunden können entweder am Ende des 30. Juni oder des 31. Dezember hinzugefügt werden, basierend auf den Messungen und Entscheidungen des Internationalen Dienstes für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS).

Warum hat man die Schaltsekunden eingeführt?

Erstens sorgt sie für die Synchronisation von Zeitsystemen. Die koordinierte Weltzeit (UTC) wird weltweit in verschiedenen Anwendungen genutzt, darunter Navigation und Kommunikation. Eine genaue Abstimmung zwischen der atomaren Zeitmessung (TAI) und der durch die Erdrotation bestimmten Zeit (UT1) ist essenziell, um die Konsistenz und Verlässlichkeit dieser Systeme zu gewährleisten.

Zweitens ist die Genauigkeit in der Astronomie und Navigation entscheidend. Viele astronomische Beobachtungen und Navigationssysteme, wie das GPS, benötigen eine extrem präzise Zeitmessung, die sowohl auf der Atomzeit als auch auf der Position der Erde basiert. Schaltsekunden helfen, diese Präzision zu sichern.

Auch die wissenschaftliche Forschung profitiert von der Einführung von Schaltsekunden. Geophysikalische und andere wissenschaftliche Studien erfordern präzise Zeitmessungen, die durch Schaltsekunden gewährleistet werden. Diese Anpassungen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Erdrotation und deren Variationen genau zu untersuchen.

Darüber hinaus sind Schaltsekunden für rechtliche und wirtschaftliche Anwendungen wichtig. Einige rechtliche und finanzielle Systeme, wie internationale Börsen und Verträge, hängen von einer genauen Zeitmessung ab. Schaltsekunden stellen sicher, dass keine Diskrepanzen entstehen, die zu rechtlichen oder finanziellen Problemen führen könnten.

So wurde Nacht zum 1. Januar 2017 eine Extrasekunde eingefügt. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) folgte dabei den Vorgaben des Internationalen Erd-Rotations-Service (IERS) in Paris und integrierte die Schaltsekunde in die Signale ihrer Zeitdienste, einschließlich der DCF77-Zeitaussendung für Funkuhren, des Telefonzeitdienstes und des Internetzeitdienstes. Die ungleichmäßige Geschwindigkeit der Erdrotation wird deutlich, wenn man bedenkt, dass von 1999 bis 2006 sieben Jahre vergingen, bevor eine weitere Schaltsekunde erforderlich wurde.

Diskussion um die Abschaffung der Schaltsekunden

Für die IT stellen aber diese Sekunden eine zusätzliche Herausforderung dar. Denn. Bei einer Schaltsekunde sind zusätzliche Tests erforderlich, um Server und komplexe Softwareumgebungen ordnungsgemäß anzupassen und größere Ausfälle zu verhindern. Die Implementierung ist technisch herausfordernd, besonders in bestimmten Umgebungen.

Große IT-Konzerne wie Meta plädieren dafür, die Schaltsekunde abzuschaffen. Sie argumentieren, dass die zusätzlichen Sekunden mehr Probleme verursachen als lösen und von vielen Unternehmen bereits ignoriert werden.

„Bei Meta unterstützen wir eine branchenweite Initiative, zukünftige Einführungen von Schaltsekunden zu stoppen und bei der aktuellen Anzahl von 27 zu bleiben. Die Einführung neuer Schaltsekunden ist eine riskante Praxis, die mehr Schaden als Nutzen bringt, und wir glauben, dass es an der Zeit ist, neue Technologien einzuführen, um sie zu ersetzen“, heißt es seitens des Konzerns.

Was hat dieses Phänomen mit Eiskunstlauf zu tun?

Viele Faktoren beeinflussen die Drehgeschwindigkeit der Erde, darunter die Anziehungskraft des Mondes, die Bewegungen der Atmosphäre und die Wassermassen in den Ozeanen. Das ständige Schmelzen und Wiedergefrieren der Eiskappen auf den höchsten Bergen der Welt ist, wie bereits erwähnt, einer von vielen Faktoren, die Unregelmäßigkeiten in der Rotation der Erde verursachen. Dieses Phänomen lässt Meta mit einem Beispiel aus dem Sport veranschaulichen. Und zwar aus der Welt des Eiskunstlaufens.

So lassen Eiskunstläufer ihre Drehgeschwindigkeit durch die Bewegung ihrer Arme und Hände steuern. Wenn die Eiskunstläuferin ihre Arme ausbreitet, verlangsamt sich die Drehung und sie erhält ihren Schwung. Sobald sie ihre Arme wieder an den Körper zieht, beschleunigt sich die Drehbewegung erneut.

„Ja, das stimmt. Durch das Schließen der Arme und Beine erreicht man eine höhere Geschwindigkeit. Je enger sie an den Körper gepresst sind, desto besser ist der Effekt. Das sieht man auch bei Sprüngen: Wenn man bei der Drehung die Arme eng an den Körper presst, erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit“, bestätigte die Olympiasiegerin im Paarlaufen (2018) Aljona Savchenko gegenüber ingenieur.de.

Ursachen für die Notwendigkeit von Schaltsekunden

Erstens bremst die Reibung zwischen dem Wasser der Meere und dem Meeresboden den Planeten aus. Zweitens hat die Erde seit der letzten Eiszeit ihre Form verändert. Durch das Abschmelzen der Eisschilde sind die Polkappen geschrumpft, was die Erde runder gemacht und ihre Rotation beschleunigt hat (siehe Beispiel mit Eiskunstlaufen). Drittens dreht sich der eiserne Erdkern zunehmend langsamer. Um das physikalische Drehmoment des gesamten Planeten zu erhalten, müssen sich der flüssige Erdmantel und die Erdkruste schneller drehen.

Positive und negative Schaltsekunden

Bisher wurden nur positive Schaltsekunden hinzugefügt. Früher geschah dies durch das Einfügen einer zusätzlichen Sekunde, was zu einem ungewöhnlichen Zeitstempel führte:

23:59:59 -> 23:59:60 -> 00:00:00

Solche Zeitsprünge führten oft zu Programmabstürzen oder Datenkorruption aufgrund der ungewöhnlichen Zeitstempel.
Da sich die Rotationsmuster der Erde ändern, ist es wahrscheinlich, dass wir in Zukunft eine negative Schaltsekunde benötigen. Der Zeitstempel würde dann so aussehen:

23:59:58 -> 00:00:00

Die Auswirkungen einer negativen Schaltsekunde wurden noch nie großflächig getestet und könnten schwerwiegende Probleme für Software verursachen, die Timer oder Planer verwendet.

Klimawandel spielt mit

Eine potenziell risikoreiche Anpassung steht unserer Weltzeit bevor – eine negative Schaltsekunde zur Kompensation der beschleunigten Erdrotation. Allerdings könnte der Klimawandel diese nie zuvor dagewesene Maßnahme um einige Jahre verzögern, wie von einem US-Forscher festgestellt wurde. Die verstärkte Eisschmelze der Polargebiete wirkt dabei wie eine Bremse für die Rotation unseres Planeten.

Jedoch gibt es einen Gegenfaktor zu diesem Trend: den Klimawandel. Da durch ihn immer mehr Eis in den Polargebieten schmilzt, verschieben sich die Massenschwerpunkte global. Das zuvor an den Polen konzentrierte Eis verteilt sich als Schmelzwasser gleichmäßig in den Ozeanen. Berechnungen von Agnes zeigen, dass die steigenden Meeresspiegel und die damit verbundenen Massenverlagerungen die Erdrotation verlangsamen können.

Obwohl die Bremseffekte der Eisschmelze nicht ausreichen, um die durch den Erdkern verursachte Beschleunigung der Erdrotation vollständig auszugleichen, könnten sie den Zeitpunkt, an dem eine negative Schaltsekunde erforderlich wird, weiter hinauszögern. Nach einigen Prognosen verschiebt sich dieser Zeitpunkt um etwa drei Jahre. Demnach wäre, wie scinexx.de schreibt, eine negative Schaltsekunde frühestens im Jahr 2029 erforderlich.

Ein Beitrag von:

  • Alexandra Ilina

    Redakteurin beim VDI-Verlag. Nach einem Journalistik-Studium an der TU-Dortmund und Volontariat ist sie seit mehreren Jahren als Social Media Managerin, Redakteurin und Buchautorin unterwegs.  Sie schreibt über Karriere und Technik.

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