Warum werden so oft Schaltsekunden benötigt?

Es ist nicht die Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit, die wichtig ist, sondern die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit (im rotierenden Referenzrahmen, der der Sonne zugewandt bleibt), die nicht zu einem 24-Stunden-Tag passt.

Daher sammeln sich Schaltsekunden (im Durchschnitt ¹ ) mit einer nahezu konstanten Rate an, da (wie Sie betonen) die durchschnittliche Änderungsrate im Vergleich zu der bestehenden Diskrepanz zwischen der tatsächlichen Tageslänge und dem, was unsere Uhren sagen, gering ist.

Denken Sie daran, dass eine Schaltsekunde ein absoluter Offset ist, der hinzugefügt/subtrahiert wird, und kein Multiplikator für die Geschwindigkeit unserer Uhren, der das Problem für die Zukunft behebt, bis die Geschwindigkeit noch weiter abweicht.

Wir korrigieren den "Fehler" in unserer Zeitfunktion, indem wir Schritt-Offsets hinzufügen, nicht durch Ändern der Steigung. Die Länge einer SI-Sekunde bleibt fest, und die Länge eines Tages bleibt bei unseren Uhren auf 24 Stunden / 86400 SI-Sekunden (ohne Schaltsekunde) festgelegt.

1. In der Praxis funktioniert das lineare Modell kurzfristig überhaupt nicht: Es gibt viele Schwankungen von Jahr zu Jahr, und 1,5-2 ms/Tag/Jahrhundert sind nur ein langfristiger Durchschnitt. Siehe die Antwort von @ David Hammen für ein schönes Diagramm und weitere Details . Er kommentierte:

   Neun Schaltsekunden wurden in den ersten acht Jahren nach der Implementierung des Konzepts der Schaltsekunden hinzugefügt, während in den 13 Jahren ab 1999 nur zwei hinzugefügt wurden.

   Die chaotische kurzfristige Schwankung dominiert über jeden Zeitraum, der kurz genug ist, um die durchschnittliche Verlangsamung zu ignorieren.

Weitere Einzelheiten finden Sie im Leap Second-Artikel des US Naval Observatory

Die SI-Sekunde ($9 192 631 770$Zyklen des Cäsiumatoms) ausgewählt wurde$1 / 31 556 925.9747$ des Jahres 1900 .

Die Erde erfährt ständig eine Verzögerung, die durch die Bremswirkung der Gezeiten verursacht wird. Durch die Verwendung alter Beobachtungen von Sonnenfinsternissen ist es möglich, die Verzögerung der Erde auf ungefähr 1,5 bis 2 Millisekunden pro Tag und Jahrhundert zu bestimmen .

Beachten Sie die Einheiten dieser Messung: Es ist ms pro Tag pro Jahrhundert oder$\Delta s / s / s$, wie eine Beschleunigung, keine Geschwindigkeit. Und definitiv nicht 1,5 ms pro Jahrhundert.

Rein zufällig ist ein mittlerer Sonnentag derzeit durchschnittlich 2 ms länger als ein SI-Tag, die aktuelle Fehlerakkumulationsrate liegt also bei 2 ms/Tag . Es ist etwa 1 Jahrhundert her, dass die Epoche der SI-Sekunde definiert wurde. Es dauert weniger als 1000 Tage, um eine weitere Schaltsekunde zu benötigen. . (Es gibt verschiedene Effekte, die dazu führen, dass Sonnentage unterschiedlich lang sind, aber im Durchschnitt sind sie länger als 24 Stunden und werden sogar noch länger.)

In einem weiteren Jahrhundert (mit konstanter Verlangsamung der Erde) müssen wir etwa doppelt so oft Schaltsekunden hinzufügen wie heute, um die kumulierte Differenz UT1-UTCbei weniger als 0,9 Sekunden zu halten.

Es ist ein kumulativer Effekt. Nehmen wir an, dass der mittlere Sonnentag etwa 1,5 Millisekunden länger ist als der SI-Tag von 86400 Sekunden. Diese Differenz summiert sich jeden Tag. Nach 1000 Tagen beträgt die Gesamtdifferenz 1,5 Sekunden. Nach 18000 Tagen, also etwa 50 Jahren, beträgt die Gesamtdifferenz 27 Sekunden. Deshalb wurden seit 1972 27 Schaltsekunden eingefügt.

Siehe auch diese Grafik im Wiki-Artikel über die Schaltsekunde.

Hier gibt es gute Antworten, aber es bleibt eine Frage – wenn es die Atomzeit erst seit etwa 50 Jahren gibt und die Erdrotation sich nur mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 ms / Tag / Jahrhundert verlangsamt, warum brauchen wir dann eine Schaltsekunde jedes Jahr oder schon alle zwei? Sollten wir zu diesem Zeitpunkt nicht nur etwa 1 Sekunde Fehler pro Jahrzehnt ansammeln?

Und die Antwort darauf beinhaltet ein wenig Geschichte: Die „atomare“ SI-Sekunde wurde gewählt, um die Kontinuität mit der Sekunde der Ephemeridenzeit aufrechtzuerhalten , die 1952 standardisiert wurde. Und obwohl die Ephemeridenzeit – ziemlich beeindruckend – auf über 150 Jahren Astronomie basierte Beobachtungen bedeutet die Länge dieser Beobachtungen, dass ET die Länge des mittleren Sonnentages um 1820 widerspiegelt . So war der mittlere Sonnentag bereits in den 1960er und 1970er Jahren um 1-3 ms pro Tag länger als 86.400 Sekunden . Das heißt, als die Schaltsekunde 1972 eingeführt wurde, häufte sich der Fehler bereits mit einer Rate an, die die regelmäßige Einführung von Schaltsekunden erforderte.

Tatsächlich hat sich die Erde seither einige Zeit gegen den langfristigen Trend gewehrt und ihre Rotation beschleunigt , was dazu führte, dass sich das Tempo der Schaltsekundenaddition eine Zeit lang verlangsamte, wobei zwischen dem Ende überhaupt keine hinzukam 1998 und Ende 2005. Dies ist jedoch nur eine zufällige Schwankung, und langfristig wird sich der Trend durchsetzen und der Fehler wird mit zunehmender Geschwindigkeit zunehmen, wodurch im Laufe der Jahrhunderte häufiger Schaltsekunden hinzugefügt werden müssen, es sei denn, es gibt irgendeine Art der Kalenderreform macht sie vorher überflüssig.

Warum werden so oft Schaltsekunden benötigt?

TL;DR: Wir brauchen ziemlich häufig Schaltsekunden, weil es eine zweihundert Jahre alte Abweichung (ein Offset ungleich Null) in der Definition einer Sekunde gibt, die 1/86400 eines Tages ist.

Eine Erklärung mit tausend Worten (auch bekannt als ein Bild):

^{Quelle: Gemeinfreie Wikipedia-Commons-Seite Abweichung der Tageslänge vom SI-Tag .}

Die grauen und grünen Kurven im obigen Diagramm zeigen die Variationen der Tageslänge (die Länge eines mittleren Sonnentages minus 86400 Sekunden) vom 1. Januar 1962 bis zum 31. Dezember 2016 in Einheiten von Millisekunden (linke vertikale Achse). Die graue Kurve zeigt geglättete Tageswerte, während die grüne Kurve einen laufenden Durchschnitt von 365 Tagen zeigt. Die rote Kurve zeigt die Fläche unter der Kurve, wobei der Nullpunkt auf den 1. Januar 1972 eingestellt ist (als das Schaltsekundenkonzept eingeführt wurde). Die roten Punkte zeigen, wann jede Schaltsekunde eingeführt wurde. Die rote Kurve und die roten Punkte sind Sekundeneinheiten, die rechte vertikale Achse.

Beachten Sie, dass die Tageslänge sehr unterschiedlich ist. Diese kurzfristige Variabilität ist ein Ergebnis des Drehimpulsaustauschs zwischen den fünf unterschiedlich rotierenden Teilen der Erde: der Atmosphäre, den Ozeanen, der Kruste und dem Mantel, dem äußeren Kern und dem inneren Kern. Was Sie in dieser kurzen Zeitspanne von 55 Jahren nicht sehen können, ist, dass die Tageslänge auch langfristige Trends aufweist. Diese langfristigen Trends sind zum Teil auf Änderungen des Trägheitstensors der Erde zurückzuführen (die Erde erholt sich immer noch vom Ende der letzten Eiszeit) und zum Teil auf eine säkulare Übertragung des Drehimpulses von der Erde auf den Mond.

Durch die Übertragung des Drehimpulses von der Erde auf den Mond ist ein Tag heute länger als in ferner Vergangenheit. Während die Rate, mit der die Erde Drehimpuls auf den Mond überträgt, sehr gering ist, baut sich dieser mit der Zeit unaufhaltsam auf. Der Tag ist heute erheblich länger als vor 4,5 Milliarden Jahren (man vermutet, dass ein Tag etwa vier bis sechs Stunden lang war, kurz nachdem sich der Mond zum ersten Mal gebildet hatte), und er ist viel länger als vor 2,5 Milliarden Jahren (der erste verlässliche Beobachtungen auf der Grundlage von Gezeitenrhythmiten).

Der Tag ist jetzt auch ein bisschen länger als noch vor ein paar Jahrhunderten. Diese paar Jahrhunderte sind der Schlüssel zur Beantwortung der Frage "Warum werden Schaltsekunden so oft benötigt?" Unser Konzept eines Tages mit 24 Stunden oder 86400 Sekunden basiert darauf, wie lang ein Tag vor ein paar Jahrhunderten war. Der langfristige Trend lässt die Erde jetzt ein klein wenig langsamer rotieren als damals. Dies führt zu einem Bias (einem Offset ungleich Null) in der Kurve. Die Verzerrung in der grünen Kurve führt dazu, dass die rote Kurve, die Fläche unter der grünen Kurve, ein säkulares Wachstum aufweist. Schaltsekunden werden hinzugefügt, wenn die rote Kurve mehr oder weniger eine Sekunde gewinnt.

Detail: Die Praxis besteht darin, am 30. Juni oder 31. Dezember eine Schaltsekunde hinzuzufügen oder abzuziehen, wenn die absolute Differenz zwischen UT1 und UTC 0,6 Sekunden überschreitet. Schaltsekunden waren schon immer positiv. Aufgrund der ~200 Jahre alten Voreingenommenheit bei der Definition einer Sekunde war eine negative Schaltsekunde nie erforderlich.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, sowohl lokal auf dem Planeten (wie Wetter) als auch von außen (wie Gravitationsstörungen des Sonnensystems).

Ihre inhärente Annahme, dass nur 1 Faktor sie beeinflusst und nur bei 1 konstanter Rate, ist falsch.

Die Geschwindigkeit nimmt tatsächlich auf mathematisch chaotischen und daher schwer vorhersagbaren Wegen zu und ab. Das IERS versucht , Änderungen bis zu 6 Monate im Voraus vorherzusagen, mit dem Ziel, das Delta zwischen der hochgenauen "Atomzeit" und der zivilen UTC-Zeit unter 0,9 SI-Sekunden zu halten, indem Schaltsekunden zur UTC hinzugefügt oder entfernt werden, soweit dies mathematisch und politisch angemessen ist Zeit des Jahres.

Ein guter Vergleich dafür ist die US-Staatsverschuldung vs. das US-Staatsdefizit. Die US-Schulden betragen derzeit etwa 21 Billionen Dollar, aber das US-Staatsdefizit für 2017 betrug weniger als 700 Milliarden Dollar. Die Schaltsekunden sind wie die Schulden, sie summieren sich immer weiter. Die Veränderung der Tageslänge ist wie die Veränderung des Defizits, das im Vergleich zur Verschuldung klein erscheint.

Schaltsekunden werden nicht hinzugefügt, um die Verlangsamung der Erdumdrehung zu berücksichtigen. Sie werden hinzugefügt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Rotation der Erde und ihre Umdrehung (um die Sonne) nicht perfekt synchronisiert sind. Das Hinzufügen eines zusätzlichen Tages alle vier Jahre (außer unter bestimmten ungewöhnlichen Umständen) hilft, korrigiert aber immer noch nicht perfekt das Missverhältnis zwischen Rotation und Revolution. Deshalb werden Schaltsekunden verwendet.

Bearbeiten: @JBently ist richtig (siehe Kommentar unten). Ich habe die beiden verschiedenen "Sprung" -Korrekturen zusammengeführt. Die Zeitmessung ist kompliziert und alte Erinnerungen sind manchmal irreführend. Jim Garrison hat auch einen Punkt, da die Tageslänge aufgrund von Wetter und geologischen Faktoren leicht variiert. Daher sind die Hinzufügungen von Schaltsekunden unvorhersehbar.