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Zeitmessung

Aus für Schaltsekunde? Wenn Atomzeit und astronomische Zeit auseinanderdriften

Der Elizabethtower des britischen Parlaments - dessen größte Glocke "Big Ben" genannt wird.
Der Elizabethtower des britischen Parlaments - dessen größte Glocke "Big Ben" genannt wird.(c) REUTERS/Clodagh Kilcoyne
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Die 24 mit der Atomuhr gemessenen Stunden pro Tag entsprechen nicht der tatsächlichen Zeit, die die Erde für eine Umdrehung benötigt. Das wurde bisher mittels unregelmäßig eingeschobener Schaltsekunden korrigiert. Ein Hilfsmittel, das ab 2035 für ein Jahrhundert Pause machen soll.

Die Silvesternacht 2016 war länger als die meisten anderen. Eine Atom-Sekunde länger, um genau zu sein. Denn die Erde braucht an vielen Tagen länger als exakt 24 Stunden, bis die Sonne ihren Höchststand erreicht. Und diese Ungleichheit hatte sich summiert. Man schob schließlich eine Sekunde ein - am 1. Jänner 2017 um 00.59.59 Uhr. Diese Minute dauerte also ausnahmsweise 61 Sekunden.

Insgesamt ist das in den vergangenen 50 Jahren 26 Mal vorgekommen, dass die vom Menschen gemachte Uhrzeit salopp formuliert auf die sich etwas langsamer drehende Erde wartet. Ab 2035 soll das Einsetzen von Schaltsekunden nun überhaupt einmal ausgesetzt werden, darauf hat sich die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) am 18. November bei Paris geeinigt. Die astronomische Zeit (UT1) könnte dann mehr als eine Sekunde von der Atomuhrzeit (Coordinated Universal Time, UTC) abweichen.

Wozu braucht es eine Schaltsekunde?

Die Erde dreht sich nicht immer gleich schnell - sie schwankt auch wegen Naturphänomenen wie Vulkanausbrüchen oder Erdbeben. Während Jahrhunderten war die Zeitmessung astronomisch bestimmt: Sie war an die Drehung der Erde um ihre eigene Achse und den Umlauf um die Sonne gebunden. Die Länge eines mittleren Sonnentags wurde auf 86.400 Sekunden festgelegt.

Mit den Atomuhren, die seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz sind, kann die Sekunde jedoch viel präziser berechnet werden als durch die Erdrotation. Doch die Natur ist nicht so präzise wie die Atomuhr. Und die Atomzeit und die astronomische Zeit sollten im Auge vieler Wissenschaftler nicht allzu stark voneinander abweichen. Deshalb werden seit 1972 in unregelmäßigen Abständen Schaltsekunden eingefügt. Möglich ist das jeweils am 30. Juni oder am 31. Dezember - bisher ist das 27 Mal der Fall gewesen, zuletzt eben in der besagten Silvesternacht 2016.

Wem nützt die Abschaffung der Schaltsekunde?

Was auf den ersten Blick also als hilfreiche Maßnahme wirkt, um diese Zeitdifferenz nicht aus den Fugen geraten zu lassen, ist manchen Wissenschaftlern aber Hindernis für präzise Zeitforschung. So nennt Georgette Macdonald, Generaldirektorin des Metrology Research Centres in Halifax, Kanada, die Entscheidung der vorläufigen Abschaffung der Schaltsekunde einen „großen Fortschritt“.

Schaltsekunden seien nicht vorhersehbar, da sie von der natürlichen Rotation der Erde abhängen. Sie stören Systeme, die auf einer präzisen Zeitmessung beruhen, sagt Macdonald dem Magazin „Nature“. Und das könne im digitalen Zeitalter großen Schaden anrichten. Aber nicht nur manchem Wissenschaftler war die Schaltsekunde ein Dorn im Auge, auch die Facebook-Muttergesellschaft Meta und Internetriese Google forderten schon länger ihre Abschaffung.

Zu weit auseinander driften sollen UT1 und UTC aber nicht. Der Kongress hat vorgeschlagen, die Schaltsekunde mindestens ein Jahrhundert auszusetzen, sodass die beiden Zeitsysteme um etwa eine Minute divergieren. Man wolle sich aber noch mit anderen internationalen Organisationen beraten, wie weit die beiden Systeme in der Zukunft voneinander abweichen dürfen, heißt es im „Nature"-Magazin.

Von Relevanz auch für Satelliten

GPS-Satelliten zum Beispiel ignorieren Schaltsekunden schon länger, während russische Satelliten diese miteinkalkulieren, was einer der Gründe dafür sein dürfte, dass russische Vertreter in der Generalkonferenz sich dafür ausgesprochen haben, diesen Schritt erst ab 2040 zu setzen. Die Entscheidung könnte bedeuten, dass Russland neue Satelliten und Bodenstationen installieren muss, erklärte Felicitas Arias, ehemalige Direktorin der Zeitabteilung des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres, Frankreich, dem Magazin „Nature“.

Dass die Schaltsekunde ab 2035 der Vergangenheit angehört - zumindest für länger - ist noch nicht ganz fix. Denn die Hoheit über die Atomuhrzeit hat die Internationale Fernmeldeunion (ITU). Die ITU hat der Generalkonferenz für Maß und Gewicht zwar zugestimmt, könnte 2035 aber immer noch argumentieren, dass die Zeit für eine Umstellung noch nicht reif sei.

Neues Phänomen, die Erde dreht sich zu schnell

Die Atom-Sekunde gibt es übrigens erst seit 1955, als die erste Cäsium-Atomuhr zu arbeiten begann. In ihrem Inneren ermöglichen die Schwingungen von Cäsium-Atomen - 9.192.631.770 Mal in der Sekunde - die genaue Zeitmessung. 86.400 Mal pro Tag wird dieser Schwingunszyklus durchlaufen - so viele Sekunden hat ein Tag. Schon bis 1972 war eine Differenz von zehn Sekunden aufgelaufen und man erfand die "koordinierte Weltzeit", die mit Schaltsekunden an die astronomische Zeit angepasst wird.

Seit 2020 stellt sich das Problem vorerst auch gar nicht mehr. Denn obwohl sich die Erdrotation aufgrund der Anziehungskraft des Mondes langfristig verlangsamt, hat sie sich zuletzt beschleunigt. Es könnte also sein, dass die Hüter der Uhrzeit in den nächsten Jahren einen Tag um eine Sekunde kürzen - und somit eine Schaltsekunde der Vergangenheit wieder rückgängig machen.

>> Der Artikel auf www.nature.com

(Red./Ag.)