Was? ! Die Erdrotation hat sich verlangsamt. In fünf Jahren wird eine Minute nur noch 59 Sekunden dauern?

Kürzlich berichteten einige Medien, dass in fünf Jahren, im Jahr 2029, eine Minute nur noch 59 Sekunden dauern könnte.

Diese Behauptung geht aus einer Studie von Wissenschaftlern der University of California, San Diego, hervor, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Eisschilde der Arktis und Antarktis aufgrund der globalen Erwärmung in großem Umfang schmelzen, wodurch sich die Form der Erde verändert und die Erdrotation schneller abbremst als zuvor. Die Änderung könnte innerhalb von fünf Jahren eine globale Zeitkrise auslösen, die beispielsweise zu massiven Störungen der Computerkommunikation und der Telekommunikationsnetze führen könnte.

Bildquelle: Website-Screenshot

Tatsächlich ist diese Aussage nicht korrekt. Die korrekte Aussage müsste lauten: Im Jahr 2029 könnte sich eine Minute auf 59 Sekunden verkürzen, und das Schmelzen der Eisdecke hat das Eintreffen dieses Tages verzögert.

Was ist los? Warum kann 1 Minute auf 59 Sekunden reduziert werden? Ist die Zeit nicht festgelegt? Welche Auswirkungen wird dies auf unser Leben haben?

Unser Zeitmesssystem

Obwohl die Zeit scheinbar gleichmäßig vergeht, haben wir sie im Laufe der Jahrzehnte tatsächlich angepasst, indem wir alle paar Jahre eine Schaltsekunde eingefügt haben. Um dieses Problem besser zu verstehen, müssen wir zunächst unser Zeitsystem verstehen.

Zur Bestimmung der Uhrzeit gibt es mittlerweile drei gängige Zeitsysteme, nämlich:

Weltzeit (UT1) basierend auf der Rotationsperiode der Erde

Ephemeridenzeit (ET) basierend auf der Umdrehung der Erde um die Sonne

Die Atomzeit (Internationale Atomzeit, französisch: Temps Atomique International, TAI) basiert auf der Frequenz elektromagnetischer Schwingungen, die durch den Energieniveauübergang von Elektronen im Inneren von Atomen entstehen.

Die Weltzeit (UT1) ist ein Zeitstandard, der dadurch bestimmt wird, dass die Zeit, die die Erde für eine Umdrehung benötigt, als ein Tag gezählt wird. Es unterteilt die Zeit in Abschnitte, die auf dem Winkel der Erde im Verhältnis zur Sonne basieren. Die Weltzeit spielt in den Bereichen Navigation und Astronomie sowie in der astronomischen Vermessung und Astrogeodäsie eine wichtige Rolle.

Da die Geschwindigkeit der Erdrotation jedoch nicht konstant ist, reicht die Stabilität der Weltzeit nicht aus, um den Bedarf der modernen wissenschaftlichen Forschung und technologischer Anwendungen an extrem präziser Zeit, wie etwa astronomische Beobachtungen und das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS), vollständig zu erfüllen .

Um den praktischen Anforderungen einer höheren Präzision gerecht zu werden, führten Wissenschaftler die Atomzeit ein . Konkret wird die Atomzeit durch Atomuhren erreicht, die die Periode elektromagnetischer Schwingungen innerhalb von Atomen zur Zeitmessung nutzen. Diese Schwingungsperiode ist sehr stabil.

Daher weist die Atomzeit eine extrem hohe Genauigkeit und Stabilität auf und kann äußerst präzise Zeitstandards liefern . Daher wird sie häufig in der wissenschaftlichen Forschung, in Navigationssystemen, Kommunikationsnetzwerken und anderen Bereichen eingesetzt.

Cäsium-Atomuhr Bildquelle: Wikipedia

Im Jahr 1967 beschloss die 13. Internationale Konferenz für Maß und Gewicht, die Definition der Sekunde von der astronomischen Sekunde zur Atomsekunde zu ändern und die Zeitdauer von 919.2631.770 Strahlungszyklen, die dem ungestörten Übergang des Hyperfeinenergieniveaus im Grundzustand von Cäsium-133-Atomen entsprechen, auf 1 Sekunde festzulegen. Mit anderen Worten wurde die Zeitdauer von 9192631770 Schwingungen der von Cäsium-133-Atomen emittierten Strahlung auf 1 Sekunde festgelegt, was als SI-Sekunde bezeichnet wird.

Diese Entscheidung markierte die offizielle Einführung der Atomzeit und legte den Grundstein für die spätere Entwicklung von Zeitmesssystemen.

Es ist erwähnenswert, dass Wissenschaftler, vertreten durch den Forscher Zhang Shougang vom National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, seit langem im Westen verwurzelt sind, bereit sind, allein zu sein, und seit mehr als zehn Jahren an Schlüsselfragen arbeiten, um eine unabhängige Kalibrierung der Standardzeit unseres Landes zu erreichen. Ihnen ist es gelungen, eine hochstabile und kontinuierlich arbeitende kalte Atom-Cäsium-Fontänen-Referenzuhr zu entwickeln, die die Abweichung zwischen der Standardzeit meines Landes und der internationalen Standardzeit von 100 Nanosekunden auf 5 Nanosekunden reduziert.

Im Space Strontium Atomic Optical Clock Laboratory des National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen Messinstrumente relevante experimentelle Signale. Foto: Xinhua News Agency-Reporter Zhang Bowen

Warum werden aus einer Minute 59 Sekunden?

Die Weltzeit, die auf der Erdrotation basiert, war schon immer einer der wichtigen Parameter für die Generierung der internationalen Standardzeit. Ein Tag ist in 24 Stunden, 1 Stunde und 60 Minuten sowie 1 Minute und 60 Sekunden unterteilt. Wichtig ist, dass die Weltzeit den Rotationswinkel der Erde relativ zum kosmischen Hintergrund widerspiegelt.

Die Atomzeit ist zwar eine sehr genaue und unveränderliche Methode zur Definition der Zeit, hat aber auch eine beunruhigende Konsequenz: Die Atomzeit stimmt nicht ganz mit der Weltzeit überein, die durch die Erdrotation definiert wird.

Unterschied zwischen Atomzeit und Weltzeit. Bildquelle: Referenz [1]

Im Laufe der Jahrhunderte hat die Stabilität der Zeitmessungen immer weiter zugenommen, sodass wir erkennen können, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Erde nicht konstant ist, was zu einem Unterschied zwischen der Atomzeit und der Weltzeit führt.

Um beiden Bedürfnissen Rechnung zu tragen, wurde das System der Koordinierten Weltzeit (UTC) eingeführt. Wenn die Differenz zwischen der Internationalen Atomzeit und der Weltzeit 0,9 Sekunden erreicht, muss die Koordinierte Weltzeit (UTC) angepasst werden, d. h., es wird 1 Sekunde hinzugefügt oder abgezogen, um sie möglichst nahe an die Weltzeit zu bringen. Dies wird als Schaltsekunde bezeichnet (negative Schaltsekunde, die letzte Minute beträgt 59 Sekunden; positive Schaltsekunde, die letzte Minute beträgt 61 Sekunden). Diese Weltzeit mit hinzugefügten Schaltsekunden ist die Koordinierte Weltzeit, auch bekannt als Weltstandardzeit, das derzeit am weitesten verbreitete Zeitsystem.

Seit der offiziellen Einführung der UTC im Jahr 1972 hat sich die Erdrotation verlangsamt und der koordinierten Weltzeit wurden 27 Schaltsekunden hinzugefügt, bei denen es sich ausschließlich um positive Schaltsekunden handelt. Seit Mitte 2020 zeigt die Rotationsgeschwindigkeit der Erde jedoch einen beschleunigten Trend.

Daher schätzen Wissenschaftler, dass die Menschheit im Jahr 2029 möglicherweise erstmals eine Sekunde auf eine „negative Schaltsekunde“ reduzieren muss, was einer Minute mit nur 59 Sekunden entspricht, um die Zeit der Atomuhr mit der Rotationsperiode der Erde zu synchronisieren .

Warum ist die Rotationsgeschwindigkeit der Erde nicht konstant?

Auf Jahrtausendskalen werden Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde durch drei geophysikalische Prozesse beeinflusst.

Erstens wird die Reibung zwischen dem Meerwasser und dem Meeresboden allmählich die kinetische Energie der Erdrotation verbrauchen und dadurch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde verlangsamen. Dies ist der sogenannte Gezeiteneffekt .

Zweitens wird sich aufgrund der Erholung nach der Eiszeit die Form der Erde verändern und sie wird flacher, was das Trägheitsmoment der Erde verändern und ihre Rotationsgeschwindigkeit verringern wird. Dies ähnelt der Art und Weise, wie ein Eisläufer während einer Pirouette die Arme seitlich ausstreckt, um seine Rotation zu verlangsamen.

Schließlich können auch einige Prozesse im Inneren der Erde, nämlich die Wechselwirkung und gegenseitige Beeinflussung zwischen dem Erdkern und seinen äußeren Schichten (Mantel und Kruste), wie etwa Änderungen des Erdmagnetfelds und der Mantelkonvektion, zu Änderungen der Erdrotationsgeschwindigkeit führen.

Laut Daten der NASA und des International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) verlangsamt sich die Erdrotation tatsächlich langsam. Studien haben gezeigt, dass sich die Rotationsperiode der Erde jedes Jahrhundert um etwa 1,8 Millisekunden verlängert. Obwohl diese Änderung geringfügig erscheinen mag, ist ihre kumulative Wirkung auf lange Sicht sehr bedeutsam.

Beispielsweise unterscheiden sich die von den Astronomen der Antike aufgezeichneten Zeitpunkte von Sonnenfinsternissen erheblich von den Zeiten, die wir heute berechnen. Der Zeitpunkt einer Sonnenfinsternis, die vor 2.500 Jahren (ungefähr zur Zeit der Frühlings- und Herbstzeit sowie der Zeit der Streitenden Reiche) beobachtet wurde, wies im Vergleich zu modernen Uhren eine Uhrenabweichung von etwa 4 Stunden auf.

Ursprünglich hatten Wissenschaftler erwartet, dass es aufgrund dieser geophysikalischen Prozesse und der Verlangsamung der Erdrotation im Jahr 2026 zur ersten „negativen Schaltsekunde“ kommen würde.

Satellitenmessungen zeigen jedoch, dass die Eisschilde Grönlands und der Antarktis seit 1986 im Zuge der zunehmenden globalen Erwärmung immer schneller schmelzen. Dieses Phänomen führt zu einem schnelleren Anstieg des Meeresspiegels und verlangsamt die Erdrotation weiter. Aufgrund der Doppelwirkung der schmelzenden Eisschichten und des steigenden Meeresspiegels erhöht sich das Trägheitsmoment der Erde und ihre Rotation wird langsamer, wodurch sich das Auftreten negativer Schaltsekunden verzögert.

Das Polareis schmilzt und bewegt sich in Richtung Äquator, wodurch die Erdrotation verlangsamt wird. Bildquelle: Referenz [3]

Welche Auswirkungen hat eine Schaltsekunde?

Schaltsekunden werden normalerweise am 30. Juni oder 31. Dezember um 23:59:60 UTC eingeführt. Die Anpassung der Schaltsekunden hat kaum direkte Auswirkungen auf das tägliche Leben und die Menschen spüren die durch die Schaltsekunden hervorgerufenen Änderungen oft nicht.

Schaltsekunden haben jedoch erhebliche Auswirkungen auf technische Systeme und Anwendungsbereiche, die auf eine präzise Zeitsynchronisierung angewiesen sind, wie etwa Computer, Finanzen, Luft- und Raumfahrt usw.

Beispielsweise erfordert das Hinzufügen oder Löschen von Schaltsekunden eine globale Synchronisierung, was eine Herausforderung für das Zeitmanagement in Computersystemen darstellt.

Im Jahr 2012 kam es bei mehreren großen Websites aufgrund von Serverabstürzen aufgrund von Zeitsynchronisierungsfehlern zu kurzen Dienstunterbrechungen. Als es 2015 erneut eine Schaltsekunde gab, behoben die Ingenieure einige der Probleme, die 2012 aufgetreten waren, entdeckten jedoch neue Probleme. Beispielsweise muss das GNSS-System jedes Mal, wenn eine Schaltsekunde angepasst wird, die Zeitdaten aktualisieren, um die Genauigkeit der Zeitmessung sicherzustellen. Werden die Anpassungen nicht rechtzeitig vorgenommen, kann es zu ungenauen Navigationsmeldungen kommen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltsekunden, die eine Sekunde hinzufügen, bringt die beispiellose negative Schaltsekunde neue Herausforderungen und Unsicherheiten für viele Systeme mit sich, die auf eine präzise Zeitsynchronisierung angewiesen sind. Computer- und Netzwerksysteme, Finanzsysteme usw. sind oft für die Addition positiver Schaltsekunden ausgelegt, sind aber möglicherweise nicht ausreichend auf die Subtraktion negativer Schaltsekunden vorbereitet. Wissenschaftler fordern alle Sektoren auf, zusammenzuarbeiten, um angemessene Vorbereitungen für die Einführung negativer Schaltsekunden zu treffen und so die Stabilität und Sicherheit globaler technologischer Systeme zu gewährleisten.

Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Obwohl die ursprüngliche Absicht der Schaltsekunden darin besteht, die UTC mit der Erdrotationszeit UT1 zu synchronisieren, erhöhen Schaltsekundenanpassungen, insbesondere potenzielle negative Schaltsekunden, die Komplexität des Zeitsynchronisationssystems. Einige Leute haben vorgeschlagen, größere Korrekturen wie Schaltminuten und Schaltstunden einzuführen, um die Anpassungszeit auf Hunderte oder Tausende von Jahren zu verlängern. andere haben vorgeschlagen, die Korrektur zu stoppen und gleichzeitig den wachsenden Zeitunterschied zwischen der Weltzeit und der Internationalen Atomzeit bekannt zu machen.

Auf der 27. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2022 wurde beschlossen, die Schaltsekunden bis spätestens 2035 abzuschaffen und durch Schaltminuten zu ersetzen , sodass der Unterschied zwischen der Internationalen Atomzeit und der Weltzeit maximal 1 Minute betragen kann. Und forderte alle Parteien auf, zu verhandeln und einen neuen Plan auszuarbeiten, der die „Koordinierte Weltzeit“ für mindestens hundert Jahre aufrechterhalten kann.

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie werden auch weiterhin neue Technologien zur Zeitsynchronisierung auf den Markt kommen, wie etwa genauere optische Uhren und intelligentere Netzwerkzeitprotokolle, die möglicherweise neue Möglichkeiten zur Lösung des Schaltsekundenproblems bieten.

Verweise

[1] Tavella, Patrizia und Jerry X. Mitrovica. „Schmelzendes Eis löst das Problem der Schaltsekunde – vorerst.“ (2024).

[2]Agnew, Duncan Carr. „Ein globales Zeitproblem, das durch die globale Erwärmung verschoben wurde.“ Nature 628.8007 (2024): 333-336.

[3] Gibney, Elizabeth. „Der Klimawandel hat die Erdrotation verlangsamt – und könnte unsere Zeitmessung beeinflussen.“ Nature 628.8007 (2024): 243-244.

Planung und Produktion

Autor: Denovo Doktorand in physikalischer Chemie

Rezension | Yin Dongshan, Assoziierter Forscher, National Time Service Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Planung von Wang Mengru

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin