Die Schaltsekunde – der Tribut an die Natur!




SchaltsekundeEine Minute hat sechzig Sekunden – ein unumstößliche Tatsache! Oder vielleicht doch nicht? Seit 1972 wurden der Welt, vom Internationalen »Bureau International des Poids et Mesures« (BIPM) in Paris, vierundzwanzig Zeitkorrekturen in Form einer zusätzliche Sekunde verordnet. Auch dieses Jahr ist es mal wieder soweit – am 30.6.2015 folgt auf 23:59:59 die Schaltsekunde 23:59:60. Experten warnen bereits vor diversen Computerproblemen. Stellt sich die Frage, wieso man eine zusätzliche Sekunde überhaupt benötigt und ob es nicht vielleicht andere Weg gibt.


Die Zeitmessung ist keine Naturkonstante und so kommt es vor, dass eine Minute von »Zeit zu Zeit« eine Sekunde länger dauert. Doch wieso eigentlich? Sind wir Menschen es nicht, welche die Zeitmessung definieren? Ja und Nein! Die Weltzeit (UTC, Universal Time Coordinated) und die durch die Erdrotation definierte astronomische Zeit driften von Zeit zu Zeit auseinander und müssen dann wieder harmonisiert werden, um eine weltweit einheitliche Zeit zu gewährleisten.

Schaltsekunden sind ein lästiges Erbe aus einer Zeit, als man eine Sekunde noch als den 86.400sten Teil (24 Stunden x 60 Minuten x 60 Sekunden) eines mittleren Sonnentages definierte. Diese Definition stellt eines sicher – und zwar , dass die Sonne immer zwölf Uhr Mittags ihren höchsten Stand am Firmament erreicht. Leider ist es jedoch so, dass die Erde nicht gleichmäßig rotiert. Vielmehr »eiert« sie ein wenig und somit schwankt die Dauer einer astronomischen Sekunde von Tag zu Tag in Bezug auf die Weltzeit. Zudem bremsen die Gezeitenkräfte der Weltmeere die Erddrehung, was zur Folge hat, dass ein Tag heute ungefähr zwei Millisekunden länger als ist, als ein Tag vor hundert Jahren. Außerdem sorgen Massenverlagerungen im Erdinneren sowie Wind- und Meeresströmungen dafür, dass die Erde nicht gleichmäßig rotiert. All diese willkürlich auftretenden Faktoren, die auf die Erdrotation wirken, sind für eine Vielzahl von technischen und wissenschaftlichen Anwendungen, die auf ein stabiles Zeitmaß angewiesen sind, mehr als lästig.

Im Jahre 1967 hatte man schließlich genug davon und stellte die Zeitmessung auf ein neues Fundament – die Weltatomzeit. Seit diesem Jahr definiert man eine Sekunde als jenen Zeitraum der verstreicht, wenn ein angeregtes Cäsium-Atom exakt 9.192.631.770mal zwischen zwei Quantenzuständen hin- und hergesprungen ist. Der damals in Funktion gegangene Atom-Chronometer hatte die sagenhafte Ganggenauigkeit von einer Sekunde Fehlanzeige in dreißig Millionen Jahren. Phänomenal! Heute, 48 Jahre später, ist man sehr viel weiter, was die Ganggenauigkeit von Atomuhren betrifft: Im Jahre 2014 haben Wissenschaftler vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado eine Rekord-Atomuhr der Öffentlichkeit vorstellt, die erst nach fünf Milliarden Jahren um eine Sekunde falsch geht. Die sogenannte Strontium-Gitteruhr übertrifft mit ihrer Ganggenauigkeit alles bisher dagewesene. Das neue »Wunderding« tickt jedoch nicht nur besonders genau, sie läuft auch besonders gleichmäßig. Die »Pendelschläge« weichen im Mittel nur einige billiardstel Promille voneinander ab.

Schaltsekunde
1985 wird eine Cäsium-Atomuhr mit der Bezeichnung CS2 in Braunschweig in Betrieb genommen, welche ab dem Jahr 1991 für die gesetzliche Zeitbestimmung verantwortlich ist und bis heute allen Funkuhren und dem Internet die exakte Uhrzeit liefert. © PTB

Die Genauigkeit und Stabilität der Atomuhren hat jedoch einen entscheidenden Nachteil – sie führen dazu, dass Weltatomzeit und astronomische Zeit immer weiter voneinander abdriften. So hatte sich bis 1972 bereits eine Differenz von zehn Sekunden angesammelt. Besonders für die Schifffahrt eine Zwickmühle, sie benötigte die astronomische Zeitrechnung für die Navigation, die über den Stand der Sterne erfolgte. Und genau aus diesem Grund beschloss man vor vierzig Jahren die koordinierte Weltzeit (UTC) als weltweite Referenzzeit einzuführen, an der sich seitdem sämtliche Zeitzonen der Erde orientieren. Die meiste Zeit tickt die Weltzeit zur Atomzeit synchron. Die Atomzeit ermittelt das BIPM in Paris in einem komplizierten Verfahren, indem man diese aus den Daten von 400 Atomuhren, die in siebzig Instituten in der Welt ticken, ermittelt. Sobald der Unterschied zwischen Atomzeit und astronomischer Zeit 0,9 Sekunden beträgt, fügen die Verantwortlichen eine Schaltsekunde hinzu.

Der Zeitausgleich zwischen koordinierter Weltzeit und Atomzeit ist für viele Wissenschaftler, Techniker und Unternehmen jedoch nicht mehr zeitgemäß. Im Vergleich zu einem Schalttag (der Ausgleich der Differenz zwischen einem Kalenderjahr und dem Sonnenjahr) richtet sich die Schaltsekunde nach keinem vorgezeichneten Plan. Dies hat den Nachteil, dass beispielsweise Computersysteme nicht so programmiert werden können, dass ihre internen Uhren der Umstellung automatisch folgen. Aus genau diesem Grund kann es zu Synchronisationsproblemen zwischen vernetzten Rechnern kommen. Systemabstürze sind die Folge mit kaum absehbaren Folgen. Das dies keine Panikmache ist bewies die letzte Schaltsekunde im Jahre 2012. Die sorgte beispielsweise für massive Computerprobleme bei der neuseeländischen Fluggesellschaft Qantas Airways. Auch 2015 befürchten Experten, dass es weltweit zu massiven Computerproblemen kommen könnte. Vor allem fürchtet man Stromausfälle mit all ihren katastrophalen Konsequenzen. Google beispielsweise bereitet sich vor und hat bereits 2011 eine Methode vorgestellt, Konsequenzen der Schaltsekunde zu vermeiden. »Leap smear« ist eine Methode mittels der Google vor der Schaltsekunde die Zeit des NTP-Servers (Zeitserver im Internet/Netzwerk) verlangsamt. Es werden dabei bei jedem Update einige Millisekunden hinzugefügt. Die Google-Server sind damit bereits mit der richtigen Zeit synchron, sobald die Schaltsekunde der offiziellen Zeitmessung hinzugefügt wird.

Adieu Schaltsekunde?

Die vielfach auftretenden Schwierigkeiten beim Einfügen einer Schaltsekunde ist ein Grund, warum seit langer Zeit gefordert wird, die Schaltsekunde komplett abzuschaffen. Dies hätte jedoch zur Folge, dass man sich zum ersten Mal in der Geschichte der Zeitmessung von den astronomischen Geschehnissen abkoppeln und mit einer mehrere tausend Jahren alte Tradition brechen würde. Als Ergebnis verlöre beispielsweise auch die »Greenwich Mean Time« endgültig ihre Bedeutung – ein Grund, warum Großbritannien sehr an der bisherige Regelung hängt. Doch die Stimmung kippt – erstaunlicherweise für die Schaltsekunde! Neben England, China, Kanada und Russland will auch Deutschland an der koordinierten Weltzeit festhalten. Der Grund: Hierzulande kommen alle Computersystemen mit dem Zeitsprung alle paar Jahre gut zurecht.

Sollten sich die Delegierten der ITU jedoch unerwarteterweise doch für einen Verzicht der Schaltsekunde aussprechen, müsste man quasi eine neu UTC-Zeit definieren. Ein immenser bürokratischer Aufwand, den viele scheuen dürften. Vielmehr ist es wahrscheinlicher, dass man sich zu einem Kompromiss durchringt und zwar die koordinierte Weltzeit und die astronomische Zeit erst anzugleichen, wenn der Unterschied sich auf eine Stunde beläuft. Dann würden die Uhren weltweit zwar eine ganze Stunde still stehen, man hätte aber ausreichend Zeit, sich auf diese Situation vorzubereiten. Bis es soweit wäre, würden mehrere hundert Jahre vergehen.

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