Waarom we vanavond een seconde langer mogen slapen

Dinsdag 30 juni 2015 duurt een seconde langer dan een normale dag. De zogenaamde schrikkelseconde wordt toegevoegd omdat er, voorlopig toch nog, twee systemen bestaan om uit te vissen hoe laat het is. Een tijdschaal gebaseerd op de rotatie van de aarde, en een andere die met atoomklokken werkt.

Een dag gemeten met een atoomklok telt netjes 86.400 seconden. Maar zo stipt draait de aarde niet. Een aardse dag is ongeveer twee milliseconden langer dan een atomaire dag. Ongeveer, want de aardrotatiesnelheid varieert doorheen de tijd. Toch dient de aardrotatie nog steeds als basis voor een eigen tijdberekening, de universele tijd (UT1). Om de twee systemen gelijk te doen lopen, is er af en toe een schrikkelseconde nodig. Het resultaat is een nieuwe tijdschaal, de gecoördineerde wereldtijd (UTC). UTC is wereldwijd de standaard. De verschillende tijdzones zijn afgeleid van UTC. Toepassingen die zich over verschillende tijdzones uitstrekken zoals luchtvaart of weersvoorspellingen, werken met UTC. Ook het Network Time Protocol (NTP), de klok van het internet zeg maar, is gekoppeld aan UTC.

Aarde geen precisie-uurwerk
Maar UTC is geen continue tijdschaal, net omwille van de schrikkelseconden. Waarom dan toch niet overschakelen op de onverbiddelijke precisie van de atoomklok? Omdat – voorlopig toch – nog vastgehouden wordt aan een tijdschaal die in overeenstemming is met astronomische waarnemingen. En dat heeft historische gronden. “Tijd meten is eeuwenlang de voornaamste bezigheid geweest van astronomen. De komst van de atoomklok heeft dat radicaal veranderd. Wij sterrenkundigen zijn onze rol als bewaarders van de tijd kwijtgeraakt,” vertelt Maarten Baes, professor in de sterrenkunde. Baes is verbonden aan het sterrenkundig observatorium van de Universiteit Gent. “Zelfs de definitie van een seconde heeft niets meer met astronomie te maken, maar staat omschreven als 9.192.631.770 stralingscycli tussen twee energietoestanden van cesium-133.”

“De beste klokken die er vroeger bestonden, waren de hemellichamen,” verduidelijkt Baes. “De twee fundamentele eenheden in de astronomische tijdberekening zijn het jaar en de dag. Als de aarde een volledige rotatie om haar as heeft gemaakt en de zon weer op exact hetzelfde punt staat, is er een dag voorbij. Corrigeer deze waarneming met de ellipsvormige baan van de aarde rond de zon en de schuine stand van de aardas en je krijgt iets als de mean solar time. Volgens de wetten van de fysica zou dit systeem regelmatig moeten zijn, maar de aardrotatiesnelheid wordt beïnvloed door twee factoren. De getijdenwerking van de maan maakt dat de aarde langzaam energie verliest en minder snel rond haar as draait. Die zogenoemde ‘tidal break’ is een gevolg van een zekere wrijving tussen de oceanen en de aarde. Daarnaast spelen processen in de aardkorst een rol. Door massaverplaatsingen in de korst verandert de rotatiesnelheid van de aarde. Als er zich massa naar binnen verplaatst, zal de aarde sneller draaien. Migreert er massa naar buiten dan gaat het trager.”

Massaverplaatsingen in de aardkorst laten zich vaak voelen als aardbevingen. Na de aardbeving die vorig jaar Japan trof, zou de dag 1,8 microseconden korter zijn. Maar het hoeft niet zo verwoestend. Waar er normaal ongeveer om de 18 maanden een schrikkelseconde nodig is, hebben we na 1999 nog maar twee extra seconden moeten invoeren. Waarom de aarde sindsdien minder snel vertraagt, is niet meteen duidelijk. De rol die de zon speelt in dit verhaal, is overigens ook aan het afnemen. De universele tijdschaal UT1 wordt al even niet meer berekend door naar de zon te kijken maar naar verafgelegen kosmische objecten zoals quasars en sterren.

Doek valt over zonnetijd
De neergang van de zon als klok begon in 1955, toen de Engelse fysicus Louis Essen de eerste cesiumatoomklok ontwierp. Een seconde werd toen gedefinieerd als 1/86400 van een aardse dag. Een aardse dag in 1900 welteverstaan. Want de lengte van de dag greep terug naar de observaties van de astronoom Newcomb uit de 19de eeuw. Ondertussen was de aarde langzamer gaan draaien. De atoomseconde liep dus meteen al achter op de hedendaagse astronomische seconde. Bij het opstarten van UTC werd geprobeerd dit probleem op te lossen door nu en dan enkele milliseconden toe te voegen aan de UTC om hem in de pas te laten lopen met de astronomische tijd.

Maar al snel bleek het een slecht idee om er twee verschillende seconden op na te houden, te meer omdat een seconde een fundamentele eenheid is waar andere eenheden van afgeleid worden. Essen, de uitvinder van de atoomklok, en de astronoom Winkler kwamen met het idee om wanneer nodig een volledige seconde aan de atomaire tijd toe te voegen. Schrikkelseconden dus. Na een laatste onregelmatige toevoeging op 1 januari 1972 bedroeg het verschil tussen atomaire tijd en gecoördineerde wereldtijd exact tien seconden. Zes maanden later werd de eerste schrikkelseconde ingevoerd.

Het Franse Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) ontvangt gegevens van een wereldwijd netwerk van een driehonderdtal atoomklokken. Uit deze gegevens berekent het BIPM de internationale atomaire tijd. Zes van die driehonderd atoomklokken staan in de kelders van de Koninklijke Sterrenwacht te Ukkel. “Best veel voor een klein land als België,” vertelt Wim Aerts, ingenieur aan de Sterrenwacht. Naast onderzoek naar tijd- en plaatsbepaling staat hij in voor het onderhoud en de monitoring van de Ukkelse atoomklokken. In een aparte ruimte staan zes cesiumatoomklokken opgesteld, naast twee klokken die werken met waterstof. Daarnaast een reeks apparatuur die dient om de werking van de klokken in goede banen te leiden. Verder een gps-ontvanger en een eigen NTP-server die gebruikers via het net de juiste tijd aangeeft.

“Bij de cesiumklokken hier is de komende schrikkelseconde al geprogrammeerd, bij de waterstofklokken moet dat nog gebeuren,” legt Aerts uit. “Dat is meteen ook het grote nadeel aan schrikkelseconden. Ze moeten manueel aan systemen worden toegevoegd. Dat vraagt wel wat werk en verhoogt de kans op fouten.”

Gps doet niet mee
Vroeger lag niemand wakker van een seconde meer of minder, maar tegenwoordig is een exacte tijdmeting erg belangrijk geworden. In de telecom bijvoorbeeld, of de onderzoekswereld. “Timing tot op de nanoseconde wordt onder andere gebruikt in de IT-security om bij een besmetting te zien welke computer eerst gevallen is,” legt Aerts uit. “Verder is de exact juiste tijd belangrijk voor traders in de financiële wereld. En er is een grote samenhang tussen tijdmeting en plaatsbepaling. Een gps-ontvanger meet eigenlijk het tijd­signaal dat verschillende satellieten uitzenden en bepaalt zo de locatie.”

Een gps-ontvanger berekent niet alleen de juiste locatie, hij geeft ook de tijd mee. Het systeem werkt met een aparte set atoomklokken om exact de tijd te berekenen. Alleen is dat niet de gecoördineerde wereldtijd. Het gps-netwerk gebruikt immers geen schrikkelseconden. Bij het opstarten van de gps-tijd in 1980 werden de tien seconden onregelmatige toevoegingen aan de atoomtijd en de negen eerdere schrikkelseconden wel meegeteld, maar later zijn er geen schrikkelseconden meer toegevoegd. Dat maakt dat gps-tijd en UTC niet meer gelijk lopen en dat gps-tijd naast UTC en atomaire tijd een derde tijdsschaal is geworden. Momenteel bedraagt het verschil 19 seconden. Het enige andere operationele plaatsbepalingssysteem, het Russische GLONASS, werkt echter wel met UTC. Alsof dat nog niet verwarrend genoeg is, zal het Europese plaatsbepalingssysteem Galileo ook niet met schrikkelseconden werken terwijl het Chinese Beidou wel de gecoördineerde wereldtijd zal volgen.

De baas van de tijd
Hoe kan je nu op tijd te weten komen dat er een schrikkelseconde aan zit te komen als de afwijking van de aardrotatie onregelmatig is? Door je mailbox in de gaten te houden blijkbaar. Wim Aerts klikt een mail open van het BIPM. Daarin wordt in weinig literaire bewoordingen aangekondigd dat er zoiets als 23h 59m 60s, 2012 June 30 (dit artikel dateert 2012, toen net als nu in 2015 ook een schrikkelseconde werd ingevoerd, red.) zit aan te komen. ‘Wij worden door het BIPM op de hoogte gebracht’, vertelt Aerts. ‘Zij op hun beurt ontvangen de officiële circulaire van het IERS.’ Het IERS, of International Earth Rotation and Reference Systems Service, heeft de taak de bokkensprongen van de aardrotatiesnelheid in de gaten te houden. Als het verschil tussen de astronomische tijd en de atomaire tijd buiten het interval -0,9/+0,9 seconde dreigt te vallen, is het het IERS dat de beslissing neemt een schrikkelseconde in te voegen, altijd op 30 juni of 31 december. Dat wordt wereldkundig gemaakt in een officiële mededeling, het zogenaamde Bulletin C.

Maar het is de International Telecommunication Union (ITU-R) die beslist over het schrikkelsecondesysteem zelf. Het is binnen deze VN-organisatie dat er al een decennium gedebatteerd wordt over het al dan niet afschaffen van de schrikkelseconde. Begin dit jaar zag het er slecht uit voor de schrikkelseconde. Op een conferentie van de ITU-R stond het afschaffen van de schrikkelseconde op de agenda. Maar bij gebrek aan consensus werd een eventuele beslissing opnieuw uitgesteld tot 2015.

De Verenigde Staten willen de schrikkelseconde zien verdwijnen, terwijl Groot-Brittannië, Canada en China vasthouden aan het huidige systeem. Andere landen dringen aan op verder onderzoek over de voor- en nadelen van het huidige systeem. Die discussie is niet nieuw. Het eerste voorstel om de schrikkelseconde af te schaffen dateert al van 1999. Sindsdien buigt de ITU-R Working Party WP7A zich over het thema, maar zonder resultaat. Er is weinig enthousiasme om opnieuw te morrelen aan de tijd.

Tegenstanders van de schrikkelseconde schermen graag met de technische nadelen die het systeem heeft. De extra seconden invoeren kost tijd en geld en verhoogt het risico op fouten. Heel wat toepassingen zouden baat hebben bij een continue tijdschaal. Maar niet iedereen vindt het een goed idee om tijdberekening los te koppelen van de astronomie. Om te beginnen de astronomen zelf, want hun observaties en apparatuur steunen op de astronomische tijd.

Maar er is ook het meer filosofisch argument dat tijdberekening doorheen de geschiedenis altijd gesteund heeft op astronomische waarnemingen. Zonder schrikkelseconden loopt het verschil op tussen de tijd op de klok en de loop van de dag. Al wordt dat verschil pas merkbaar op erg lange termijn. Ongeveer anderhalve minuut na honderd jaar, een kwartier na duizend jaar.

“Al bij al een behoorlijk academische discussie,” lacht Maarten Baes van het sterrenkundig observatorium van de Gentse universiteit. “Al ben ik zelf ook voorstander van een continue tijdschaal. De meeste argumenten om vast te houden aan de schrikkelseconde zijn historisch of gebaseerd op een aanvoelen van hoe een dag er moet uitzien. We leven trouwens al niet meer op de tijd van de natuur. De zon staat op de middag niet mooi in het zuiden. We gebruiken winter- en zomertijd, en verschillende tijdzones. Een extra afwijking van een paar seconde gaat het verschil niet maken. Trouwens, geen enkel systeem om de tijd te meten heeft het eeuwige leven.”