Koordinierte Weltzeit

Das Neujahr dauert eine Sekunde länger!

3003 Bern-Wabern, 6. Dezember 2005. Alle vier Jahre wird unser Kalender um einen Tag erweitert: den 29. Februar. Neben diesem regelmässig geschalteten Tag werden hin und wieder einzelne Tage um eine Sekunde verlängert. Das wird am 1. Januar 2006 um 01:00 Uhr der Fall sein.

Schaltjahre müssen eingeführt werden, weil die Erde für einen kompletten Umlauf um die Sonne etwas mehr als 365 Drehungen um die eigene Achse braucht. In vier Jahren kumuliert sich dieser Rückstand auf ungefähr einen Tag und wird mit einem Schalttag - dem 29. Februar -, kompensiert. Die genaue Regelung der Schaltjahre sind in Kasten 1 dargelegt.

Zeiteinheit und Zeitskala

Ganz anderen Ursprungs sind die Schaltsekunden. Bei der Zeitmessung wird zusätzlich zur Einheit Sekunde eine fortlaufende Skala benötigt, damit die zeitliche Folge verschiedener Ereignisse eindeutig ist. Eine Zeitskala entsteht, indem man ab einem - im Prinzip frei wählbaren - Ursprung Intervalle der Länge einer Sekunde aneinanderreiht und nummeriert. Damit erhält jeder Punkt auf der Zeitachse eine eindeutige Marke.

Bis 1960 waren sowohl die Einheit Sekunde als auch die Zeitskala an die Rotation der Erde um ihre eigene Achse gebunden: Die Sekunde war so definiert, dass ein mittlerer Sonnentag 86 400 Sekunden zählte, und der Ursprung der Zeitskala war mit dem Meridian von Greenwich verknüpft. Eine so definierte Zeitskala soll hier als astronomische Zeit bezeichnet werden, da diese Skala an die Himmelsmechanik gebunden ist.

Eine an die Erdrotation gebundene Definition der Sekunde hat den Vorteil, dass die darauf basierende Zeitskala immer im Einklang mit der astronomischen Zeit steht. Weil jedoch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde Schwankungen unterliegt, sind die Sekunden nicht jeden Tag gleich lang. Betrachtungen über sehr grosse Zeiträume hinweg ergaben, dass sich die Tageslänge pro hundert Jahre um rund zwei Millisekunden verlängert.

Die 13. Generalkonferenz für Mass und Gewicht behob 1967 den Missstand der an die Himmelsmechanik gebundenen Zeiteinheit Sekunde. Sie definierte die Sekunde neu mittels Schwingung des Cäsiumatoms: Die Sekunde dauert genau 9 192 631 770 Schwingungen . Diese heute noch gültige Definition hat den Vorteil, dass die Sekunde nicht mehr den Schwankungen der Erdrotation ausgesetzt ist.

Astronomische Zeit und Atomzeit

Bei einer Zeitskala, die auf der atomaren Sekunde basiert, ist die Stellung der Erde gegenüber der Sonne nach 86 400 Sekunden nicht immer identisch. Auf die Dauer akkumulieren sich diese Unterschiede. Das hat zur Folge, dass sich die Atomzeitskala immer weiter von der astronomischen Zeit wegbewegt, und ist der Grund dafür, dass zwei atomare Zeitskalen definiert werden mussten:

Die Internationale Atomzeitskala (Temps Atomique International, TAI) ist kontinuierlich und nimmt keine Rücksicht auf Abweichungen von der astronomischen Zeit.
Die koordinierte Weltzeit (temps universel coordonné, UTC) hat das gleiche Skalenmass wie TAI, ist aber nie mehr als 0.9 s von der astronomischen Zeit entfernt. Wenn sich die Differenz zwischen UTC und der astronomischen Zeit auf 0.9 Sekunden akkumuliert hat, wird eine Schaltsekunde eingeführt.

Schaltsekunden können Ende Juni oder Ende Dezember eingeschoben werden. Die Schaltsekunde wird dann als 60. Sekunde eingefügt, die es normalerweise nicht gibt: 23:59:59, 23:59:60, 00:00:00, 00:00:01. Bei diesen Zeitmarken handelt es sich um die koordinierte Weltzeit UTC. In der Schweiz geschieht dies um 01:00 Uhr mitteleuropäische Zeit (MEZ) bzw. um 02:00 Uhr mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ).

Die heute gültigen Regeln für die koordinierte Weltzeit wurden 1972 adoptiert. Seither wurden 22 Schaltsekunden eingeführt, im Durchschnitt also eine pro 18 Monate. Zusammen mit dem anfänglichen Unterschied von zehn Sekunden ist die Differenz heute auf 32 Sekunden angewachsen (Diagramm 2).

Problematik der Schaltsekunden

Probleme stellen sich zum Zeitpunkt des Einfügens der Schaltsekunde. Viele Computerprogramme sind nicht dafür ausgelegt, die Zeitmarke 23:59:60 anzuzeigen. Die Situation wird oftmals dadurch gerettet, dass zwei aufeinander folgenden Epochen die Zeitmarke 23:59:59 zugewiesen wird. Weil es sich bei Schaltsekunden um Ereignisse handelt, die nur in unregelmässigen Abständen auftreten, müssen die Einschübe manuell programmiert werden.

Auch hier ist das Gefahrenpotential unschwer erkennbar: Bei komplexen Systemen ist es schwierig sicherzustellen, dass keine der Komponenten beim Einfügen der Schaltsekunden vergessen geht. Synchronisationsprobleme wären unweigerlich die Folge, wenn nicht alle Komponenten gleichzeitig eine Schaltsekunde einführen. Schliesslich ist auch der Aufwand für Tests unverhältnismässig gross, damit sichergestellt werden kann, dass das zweimalige Erscheinen der gleichen Zeitmarke nicht zu Pannen führt.

Seit 2001 weisen die amerikanischen Delegationen in der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) in Genf - der UNO-Organisation, welche die Regeln für die koordinierte Weltzeit festlegt - und im Comité consultatif du temps et des fréquences (CCTF) der Meterkonvention in Paris auf die Probleme hin, die Schaltsekunden verursachen.

Vertreter von Metrologieinstituten, der Internationalen Astronomischen Union, des International Earth Rotation Service (IERS), des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) und weiterer betroffener Organisationen diskutieren seit einiger Zeit die aufgeworfenen Fragen der Schaltsekunden. Verschiedene Vorschläge zur Entschärfung des Problems stehen zur Diskussion, ein Konsens für Änderungen wurde aber bisher nicht erreicht.

Vorgeschlagen wurde unter anderem, dass Änderungen der Zeitskala UTC erst 2022 - das heisst zum 50. Geburtstag der koordinierten Weltzeit - eingeführt werden sollen. Andere Vorschläge zielen darauf, Änderungen nicht später als 2010 zu vollziehen.

Schaltstunden statt Schaltsekunden?

Gleichzeitig wurde von amerikanischer Seite bei der ITU ein Vorstoss eingereicht, um die Regeln für UTC bereits auf den 1. Januar 2008 zu ändern. Gemäss diesem Vorschlag sollen ab diesem Zeitpunkt anstelle von Schaltsekunden Schaltstunden eingefügt werden. Dadurch soll die zurzeit tolerierte Differenz zwischen astronomischer Zeit und UTC von 0.9 Sekunden auf eine Stunde erhöht werden. De facto werden auf diesem Weg Schaltsekunden abgeschafft, da es voraussichtlich mehr als 500 Jahre dauern wird, bevor sich die koordinierte Weltzeit UTC um diesen Betrag von der astronomischen Zeit entfernt hat.

Dieser Ansatz wird zweifellos kurzfristig Software- und Synchronisationsprobleme lösen. Auf der anderen Seite sind aber die Prozedur für das Einfügen von Schaltsekunden sowie mögliche Schwachstellen dieses Verfahrens heute gut bekannt. Im Durchschnitt muss ja lediglich alle 18 Monate eine Schaltsekunde eingefügt werden. Mit dem Streichen von Schaltsekunden wird sich über die Jahrzehnte ein Unterschied zwischen UTC und der astronomischen Zeit akkumulieren, dessen Behebung künftigen Generationen wesentlich mehr Probleme bereiten dürfte.

Die Regeln für Schaltjahre des Gregorianischen Kalenders

Regel 1: Jahre, deren Jahreszahl durch 4, aber nicht durch 100 teilbar ist, sind Schaltjahre mit 366 Tagen.

Regel 2: Bei Jahren, deren Jahreszahl durch 100 teilbar ist, nicht aber durch 400, wird kein Schalttag eingeführt.

Regel 3: Ist die Jahreszahl durch 400 teilbar, ist das Jahr ein Schaltjahr.

Beispiele zur Verdeutlichung der Regeln:

1884, 1972 und 2004 waren Schaltjahre nach Regel 1.
1900 gab es gemäss Regel 2 keinen 29. Februar.
2000 schliesslich war ein Schaltjahr, da Regel 3 zur Anwendung kam.

	Entwicklung der Differenz zwischen der astronomischen Zeitskala UT1 und der Atomzeitskala TAI (blau) bzw. zwischen der koordinierten Weltzeitskala UTC und der Internationalen Atomzeitskala TAI (rot). (Diagramm: METAS)

	METAS verbreitet die offizielle Schweizer Zeit unter anderem über den Langwellensender HBG in Prangins (VD). Uhren, Verkehrsüberwachungsanlagen und Computersysteme, die über HBG-Empfangsmodule verfügen, wird am 1. Januar 2006 um 01:00:00 Uhr die Schaltsekunde automatisch signalisiert. (Bild: METAS)

Kontakt
Dr. Gregor Dudle, Leiter des Labors Zeit und Frequenz, Tel. 031 32 33 298

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Diagramm (36 kB)

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