Wird die „negative Schaltsekunde“ verschoben? Wie der Klimawandel die globale Zeitmessung beeinflusst

Dou Zhong, stellvertretender Direktor, National Time Service Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Kürzlich (27. März 2024) veröffentlichte die britische Fachzeitschrift Nature einen Artikel, in dem es hieß, der Klimawandel habe die Erdrotation verlangsamt und die globale Zeitmessung beeinträchtigt. Der Artikel geht davon aus, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde in den letzten Jahren aufgrund von Veränderungen im Erdkern plötzlich erhöht hat und es möglicherweise zur ersten „negativen Schaltsekunde“ in der Menschheitsgeschichte kommen wird. Allerdings führt die globale Erwärmung dazu, dass die Polkappen schneller schmelzen und sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde verlangsamt, was wiederum zu einer Verzögerung der „negativen Schaltsekunde“ führen kann.

Was ist los? Was hat das Auftreten bzw. verzögerte Auftreten von „negativen Schaltsekunden“ mit uns zu tun?

Was ist eine Schaltsekunde? Warum müssen wir zwischen positiv und negativ unterscheiden?

Auf der Welt gibt es zwei allgemein gebräuchliche Zeitmesssysteme: die Weltzeit (UT1), die auf der Erdrotation basiert, und die Internationale Atomzeit (TAI), die auf der Atomschwingungsperiode basiert. Aufgrund der ungleichmäßigen Rotationsgeschwindigkeit der Erde entsteht mit der Zeit ein Zeitunterschied zwischen den beiden Zeitsystemen, daher das Konzept der „Koordinierten Weltzeit“ (UTC). Die „Koordinierte Weltzeit“ orientiert sich an der Sekundenlänge der Internationalen Atomzeit und kommt der Weltzeit zeitlich möglichst nahe. Wenn der vorhergesagte Zeitunterschied zwischen der koordinierten Weltzeit (UTC) und der Weltzeit (UT1) 0,9 Sekunden überschreitet, wird die koordinierte Weltzeit um eine volle Sekunde angepasst, was einer Schaltsekunde entspricht.

Abbildung 1: Durch Einfügen von Schaltsekunden in die Internationale Atomzeit erhalten wir die Koordinierte Weltzeit.

Eine positive Schaltsekunde liegt vor, wenn die koordinierte Weltzeit um 1 Sekunde zurückgestellt wird (1 Sekunde hinzufügen) oder um 1 Sekunde vorgestellt wird (1 Sekunde abziehen). Dies ist eine negative Schaltsekunde.

Abbildung 2: Positive und negative Schaltsekunden

Seit der Einführung der Koordinierten Weltzeit (UTC) im Jahr 1972 wurden insgesamt 27 Schaltsekunden implementiert, bei denen es sich ausschließlich um positive Schaltsekunden handelte. negative Schaltsekunden wurden nie verwendet. Mit anderen Worten: Während dieser 52 Jahre hat sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde im Vergleich zur atomaren Zeitgeschwindigkeit verlangsamt, und das Muster ist ungefähr „zwei Schaltjahre alle drei Jahre“. Aber das ist nicht unbedingt der Fall. Beispielsweise gab es von 1998 bis 2005 sieben Jahre lang keine Schaltsekunde, und seit 2017 gibt es keine Schaltsekunde mehr. Dies zeigt, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde in diesen beiden Zeiträumen nicht weiter verlangsamt hat.

Abbildung 3: Seit 1958 beträgt die Differenz zwischen der koordinierten Weltzeit und der Internationalen Atomzeit 37 Sekunden; seit 1972 gab es 27 Schaltsekunden, allesamt positive Schaltsekunden.

Warum verzögert das Schmelzen des Polareises das Eintreten der „negativen Schaltsekunde“?

Aufgrund von Faktoren wie Gezeiten weist die Erdrotation seit langem einen Verlangsamungstrend auf, sodass es sich bei allen bisherigen Schaltsekundenanpassungen um positive Schaltsekunden handelte.

Duncan Agnew, Geophysiker am Institut für Ozeanographie der University of California in San Diego, verwendete Satellitendaten, um die Auswirkungen der Erdrotationsrate und der Bewegung ihres Kerns zu untersuchen. Er sagte, dass die Winkelgeschwindigkeit der Rotation des flüssigen Teils des Erdkerns in den letzten Jahren mit einer konstanten Änderungsrate weiter abgenommen habe, was zu einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit der Rotation des restlichen festen Teils der Erde geführt habe. Unter dem Einfluss dieses Effekts könnte die erste negative Schaltsekundenanpassung auf der Erde bereits im Jahr 2026 erforderlich werden, sofern das Schmelzen des Polareises nicht berücksichtigt wird.

Abbildung 4: Verlauf der Differenz zwischen der gemessenen Weltzeit UT1 und der Koordinierten Weltzeit UTC für 52 Jahre von 1972 bis heute.

Dies ist eine Kurve der gemessenen Differenz zwischen UT1 und der koordinierten Weltzeit (UTC) für 52 Jahre von 1972 bis heute. Wie aus der Abbildung ersichtlich, nimmt dUT1 (die Differenz zwischen UT1 und UTC) seit einem halben Jahrhundert ab. Wenn er nahe bei 0,9 Sekunden liegt, startet der International Earth Rotation Service (IERS) die Schaltsekunde (versetzt die Kurve um 1 Sekunde zurück) rechtzeitig entsprechend dem Kurvenverlauf. In diesen 52 Jahren gab es 27 Schaltsekunden, allesamt positive Schaltsekunden. Seit Mitte 2020 ist jedoch tatsächlich eine Trendumkehr der Kurve zu beobachten und es besteht die Möglichkeit, dass dies in den kommenden Jahren die erste „negative Schaltsekunde“ der Geschichte auslösen wird.

In den letzten Jahrzehnten hat sich jedoch aufgrund der beschleunigten Eisschmelze in Grönland und der Antarktis ein Teil der Erdmasse von den Polen in die Nähe des Äquators verlagert, was zu einer Verlangsamung der Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation führte. Dies ist vergleichbar mit der Drehung eines Eiskunstläufers, der schneller wird, wenn er die Arme über den Kopf hebt, und langsamer wird, wenn er die Arme seitlich ausstreckt. Agnew sagte daher voraus, dass die erste Anpassung der negativen Schaltsekunde möglicherweise bis 2029 verschoben werden könnte.

Welche Auswirkungen haben negative Schaltsekunden auf uns?

Die globale Erwärmung beeinflusst Veränderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde, die eng mit der Weltzeit (UT1) zusammenhängt. Die globale Erwärmung hat dazu geführt, dass die Polkappen schneller schmelzen und ein Teil der Erdmasse von den Polen zum Äquator verlagert wurde, wodurch die Winkelgeschwindigkeit der festen Erde schneller abnimmt als zuvor. Dies führt direkt zu einer längeren Sekundenlänge in der Weltzeit (UT1) und wirkt sich somit auf die Häufigkeit der Schaltsekunden aus und hat wiederum Auswirkungen auf die Schaltsekunden der koordinierten Weltzeit, der internationalen Standardzeit.

Die Weltzeit (UT1) ist eine auf der Erdrotation basierende Zeitskala und ein wichtiger Parameter der nationalen Standardzeit. Der universelle Zeitmessdienst ist ein grundlegender Dienst, der für die Zeitsynchronisierung, Satellitennavigation, die Erforschung des Weltraums und hochpräzise Astrometrie erforderlich ist. In den letzten Jahren hat das National Time Service Center ein Weltzeitmesssystem basierend auf dem VLBI-Messsystem und dem Zenitkamerateleskop etabliert. Durch die Integration des UT1 des Breitband-VLBI und der Tageslängenänderungen des International GNSS Monitoring and Assessment System (iGMAS) wurde zunächst der unabhängige Mess- und Datendienst der Weltzeit mit einer Genauigkeit von 100 realisiert, der zunächst die Anforderungen verschiedener Aufgaben in meinem Land erfüllen kann.

Angesichts der Tatsache, dass Schaltsekunden gewisse Auswirkungen auf den Betrieb von Kommunikations-, Navigations- und Netzwerksystemen usw. haben, die eine kontinuierliche Zeitmessung erfordern, hat die Abschaffung der Schaltsekunden in den letzten Jahren zu weitverbreiteten Kontroversen geführt. Auf allen internationalen Konferenzen zu diesem Thema gelingt es nur schwer, einen Konsens zu erzielen, da es nicht genügend Belege für die Vor- und Nachteile der Beibehaltung oder Abschaffung der Schaltsekunden gibt und ein klarer und sicherer Übergangsplan für die Zeit nach der Abschaffung der Schaltsekunden fehlt. Das Thema wurde auf der 27. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2022 erneut diskutiert. Die Konferenz kam zu dem Schluss, dass die Schaltsekunden spätestens 2035 abgeschafft werden sollten. Alle Parteien müssten verhandeln und einen neuen Plan vorschlagen, der die „Koordinierte Weltzeit“ für mindestens hundert Jahre, möglicherweise ein „Schaltjahr“, beibehalten kann. Das Treffen beschloss, den endgültigen Unterschied zwischen UTC und UT1 auf der 28. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2026 bekannt zu geben und den technischen Übergangsplan für die Zeitanwendung nach der Abschaffung der Schaltsekunden schrittweise zu erörtern.

Angesichts der Arbeit, die das National Time Service Center in Bezug auf die Autonomie der Weltzeit geleistet hat, und der Bemühungen von mehr als einem Jahrzehnt wird die Abschaffung der Schaltsekunde im Jahr 2035 keine Auswirkungen auf die wirtschaftliche und soziale Entwicklung sowie die nationale Sicherheit meines Landes haben.

Bevor die Schaltsekunden im Jahr 2035 abgeschafft werden, könnte es zur ersten und letzten „negativen Schaltsekunde“ in der Menschheitsgeschichte kommen. Warten wir es ab. Die Einführung „negativer Schaltsekunden“ könnte für Computersysteme auf der ganzen Welt eine Herausforderung darstellen. „Niemand hatte dieses Problem zuvor bemerkt, weil Computersysteme nur mit positiven Schaltsekunden umgehen können und niemand das Auftreten negativer Schaltsekunden wirklich vorhersagen konnte. Daher konnten wir das Ausmaß des Chaos, das uns bevorstand, nicht vorhersehen“, sagte Agnew.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Name des Autors: Dou Zhong

Gutachter: Gao Zhe National Time Service Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.