Najdete nás také na:

Na hvězdárně sídlí:

Země zvýšila tempo své rotace

Už vás napadlo, že byste chtěli mít uplynulý nepříjemný covidový rok za sebou rychleji než jiné roky? Je to udivující, ale příroda nám vyšla vstříc. Běžný majitel hodinek to sice nezaznamenal, ale odborníci zabývající se měřením přesného času nemají pochyb – v roce 2020 zaznamenali 28 nejkratších dnů za období od roku 1960. To, že jsme si ničeho podezřelého nevšimli, je dáno tím, že rozdíly se odehrávají v milisekundách a zaznamenat je, jsou schopné jen speciální atomové hodiny, které měří čas s frekvenční přesností 5krát 10−16. Taková hodnota odpovídá chybě jedné sekundy za 60 milionů let.

Ale začněme od začátku. Zvykli jsme si dělit den na 24 hodin, z nichž každá je tvořena 60 minutami, které se následně dělí na 60 sekund. To odpovídá počtu 86 400 sekund (což je základní jednotka času) za den. První dělení dne totiž pochází od Babyloňanů, kteří používali šedesátkovou číselnou soustavu. Hodina byla následně stanovena Egypťany jako dvanáctina trvání dne nebo noci (kvůli kolísání délky dne v závislosti na ročním období). Helénští astronomové včetně Hipparcha či Ptolemaia pak definovali hodinu jako čtyřiadvacetinu průměrného slunečního dne. Dvojím šedesátinovým dělením hodiny tak až podstatně později vznikla definice sekundy jako 1/86 400 středního slunečního dne.

Skutečně měřitelnou se ale sekunda stala až s objevem hodinového kyvadla. Londýnská královská společnost navrhla používat sekundové kyvadlo jako jednotku délky již roku 1660.

Roku 1938 předložili Adolf Scheibe a Udo Adelsberger u Physikalisch-Technische Bundesanstaltu důkaz toho, že rychlost rotace Země není stálá. Astronomická délka dne se tak nedala považovat za dostatečně přesný základ časového etalonu. Kvůli zpomalování zemské rotace se tak sluneční den oproti dennímu času posouvá. Ke kompenzaci byly zavedeny přestupné sekundy, aby byl běžně užívaný čas dostatečně přesný, a přitom se nelišil od pohybu Slunce po obloze.

Současně byla v roce 1956 zavedena definice sekundy na základě doby oběhu Země okolo Slunce pro konkrétní ekvinokcium, protože v té době se už zemská rotace kolem vlastní osy nepovažovala za dostatečně rovnoměrnou, aby mohla být základem pro měření času. Pohyb Země byl popsán v tzv. Newcombových slunečních tabulkách, které obsahují vzorec popisující pohyb Slunce k ekvinokciu 1900.0 na základě astronomických pozorování provedených mezi roky 1750 až 1892. Sekunda byla definována jako, /31 556 925,9747 tropického roku pro 12 hodin 0. ledna 1900 efemeridového času.

Další přelom v přesnosti měření času přinesly atomové hodiny.  Jejich zavedení si vyžádalo současně i novou základní definici jednotky času v systému SI. Sekunda už není odvozována od pohybu (rotace) naší planety, ale vychází z oscilací atomu cesia. Aktuální definice zní následovně:

Sekunda je 9 192 631 770 násobek doby periody záření, která odpovídá době přechodu mezi dvěma úrovněmi struktury základního stavu atomu nuklidu Cesia-133.

Základem měření času se stal koordinovaný světový čas, UTC (Coordinated Universal Time), na němž je založen systém občanského času. Jednotlivá časová pásma jsou pak definována svými odchylkami od UTC. UTC je jako základ systému měření času nástupcem GMT (Greenwich Mean Time – greenwichský střední čas) a často je s ním zaměňován. Na rozdíl od GMT, který udává čas platný na základním poledníku a je založen na rotaci Země, je UTC odvozen z chodu atomových hodin. Na rotaci Země je tedy už zcela nezávislý. Přesto je snaha udržet UTC ve shodě s pohyby Země. To si však záhy vyžádalo zavedení možnosti užívání přestupné sekundy, které oba časy průběžně prakticky ztotožňuje.

V současné chvíli je nejpřesnějším časem tzv. mezinárodní atomový čas (TAI, temps atomique international). Je samozřejmě definován pomocí atomových hodin. Údaje z více než 200 atomových hodin se od roku 1977 relativisticky (kvůli započtení gravitační dilatace času) přepočítávají individuálně z vlastního času hodin na rotující geoid. Jeho plynutí tak není závislé ani na periodě rotace Země, ani na umístění atomových hodin. Právě z času TAI vychází výše zmíněný čas UTC. V praxi se rozdíl mezi TAI a UTC průběžně mění, respektive lze tvrdit, že se doposud stále zvětšuje.

Rozdíl, anglicky zvaný leap seconds – přestupná sekunda, je způsoben vkládáním přestupných sekund pro korekci UTC. Problematika přestupné sekundy se začala vyskytovat v době, kdy byla zavedena definice atomové sekundy. V této době totiž došlo k odloučení praktické časomíry od astronomie. Protože je atomová sekunda kratší než sekunda rotační, definovaná otáčením Země, dochází k neustálému předbíhání TAI proti UT1 (předchůdce UTC) a narůstání odchylky TAI od UT1. Tato odchylka byla v roce 1967 na shromáždění IAU v Praze definována jako nulová k 1.1.1958. Pak následoval 1.1.1961 pokus o zavedení času SAT (Stepped Atomic Time), který zaváděl kompromis mezi rovnoměrností atomového času a UT1 vázaného na rotaci Země. Systém ovšem častými korekčními skoky minul svůj původní záměr dosáhnout dlouhodobě rovnoměrný čas jako atomový. A tak bylo od 1.1.1972, kdy byl zaveden do praxe koordinovaný čas UTC, jenž přesně kopíruje rovnoměrnost TAI, definováno zrychlení času SAT o 3 * 10-8 a skokové posunutí o 0,1077580 s zpět, tak že se SAT opožďoval za TAI přesně o 10 s. Další zásahy jsou omezeny už jen na vkládání přestupné sekundy. Světový koordinovaný čas UTC se od TAI liší vždy o celý počet sekund tak, aby se UTC co nejvíce blížil času UT1. Časem UTC jsou řízeny i navigační sítě GPS, LORAN-C a OMEGA. Korekce se provádí vložením přestupné sekundy jako poslední sekundy 30. června nebo 31. prosince. Do roku 1972 je počítáno s 10 přestupnými sekundami (viz výše) a od té doby jich přibylo až do současnosti dalších 27 sekund.

Poprvé byla „nová“ přestupná sekunda vložena v 01:00:00 1. července 1972 SEČ. Naposledy byla pak přestupná sekunda vložena, jak je vidět z tabulky, v 01:00:00 1. ledna 2017 SEČ (24:00:00 31. prosince 2016 UT, resp. v 00:00:00 1. ledna 2017 UT), díky tomu je nyní rozdíl TAI – UTC = 37 s.

Je nutné si uvědomit, že i když je to překvapivé, není den jako den. Délka dne odvozená z pohybu Slunce se mění. Vývoj odchylek je patrný z připojeného grafu, který zachycuje kolísání délky ideálního dne v intervalu od 1. ledna do 16. prosince 2020.

Dosavadní měření pomocí atomových hodin ukazovala, že rotace Země se pozvolna zpomaluje. To ovšem platilo jen do loňského roku. Než začal rok 2020, tak nejkratším dnem od roku 1973 byl 5. červenec 2005. Tehdy vědci naměřili o 1,0516 milisekundy kratší den, než je obvyklé. Ovšem, už jen první polovina loňského roku tento rekord pokořila hned ve 28 případech. 19. července pak padl absolutní rekord, když den byl o 1,4602 milisekundy kratší než průměrný den.

Změna v rychlosti byla natolik zásadní, že se ve vědeckých kruzích začalo uvažovat, zda by v roce 2021 nebylo potřeba odečíst z času jednu sekundu. V takovém případě by to vypadalo tak, že po čase 23:59:58 UT určeného dne by následovalo hned 00:00:00 UT dne následujícího.

O tom, zda se v daném termínu přestupná sekunda zavede, rozhoduje na základě svých měření Mezinárodní služba rotace Země (IERS) a tuto informaci zveřejňuje ve svém pravidelném Bulletinu C. Dosud byla přestupná sekunda zavedena 27×. Nejčastější interval mezi dvěma zavedeními přestupné sekundy je 18 měsíců, interval 1998–2005 však byl výrazně delší a od roku 2016, jak je patrné z grafu, trvá další relativně dlouhé období bez potřeby vkládat další sekundu.

 Na rychlost rotace Země má vliv řada faktorů. Nejvýznamnějším z nich je působení Slunce, ale také Měsíce. Svoji roli ovšem hraje i eroze hor nebo množství ledu, které se na Zemi nachází. Uplatnění ale nacházejí i nepravidelné odchylky, způsobené zatím ještě málo zdokumentovaným vztahem zemského jádra a jeho pláště, či vliv zemětřesení, případně následných tsunami na směr osy rotace naší planety a následně i periodu rotace.

Jako zajímavost lze uvést i to, že v roce 2005 se objevil návrh, aby se přestupné sekundy zrušily, počkalo se, až rozdíl časů naroste na hodnotu hodiny, a ta by se pak přidala (zhruba jednou za 5000–6000 let). Zrušení vkládání přestupných sekund je nadále mezinárodně diskutováno s ohledem na praktické problémy těchto skoků.

Takže nyní si musíme počkat na další vývoj a uvidíme, zda skutečně dojde v blízké budoucnosti k tomu, že se dočkáme ne vložení, ale naopak ubrání přestupné sekundy, případně, že si na srovnání času počkáme několik tisíc let.