Internasjonal atomtid

The International Atomic Time ( TAI for French Temps Atomique International ) er en tidsskala som bestemmes ved å beregne og skalere avlesningene fra nåværende (per januar 2020) mer enn 600 atomur i rundt 80 institutter. BIPM publiserer resultatet månedlig i Circular T. BIPM anslår at gjennomsnittlig TAI-sekund i 2019 avviker fra SI-sekund med 0,24 · 10 ⁻¹⁵ . TAI er grunnlaget for Coordinated Universal Time UTC, som siden 1972 skiller seg fra TAI med et helt antall sekunder. For øyeblikket (per januar 2020) gjelder UTC = TAI - 37 s.

Siden TAI bare er tilgjengelig med tilbakevirkende kraft, må UTC (k) -signalet som sendes i sanntid fra et enkelt laboratorium eller tiden som sendes av GPS / GLONASS-satellittene, først brukes til en nøyaktig tidsmåling. Først etter publiseringen av den nye Circular T kan denne lesingen konverteres til UTC og TAI ved å bruke tabellene der med forskjellene UTC - UTC ( k ) eller UTC - UTC (GPS / GLONASS). For UTC (PTB) har korreksjonene alltid vært mindre enn 10 ns siden 2010.

definisjon

Definisjonen av International Atomic Time ble sist endret i 2018 av den 26. generalkonferansen om vekter og målinger . Resolusjon 2 ( om definisjonen av tidsskalaer ) fastsatte:

1. TAI er basert på det beste erkjennelser av SI andre, de driftstider av de bidragende klokker på potensialet til jordens tyngdekraft W ₀  = 62,636,856.0 m s² omdannet /;
2. nullpunktet til TAI er valgt slik at forholdet TT  - TAI = 32.184 s gjelder den 1. januar 1977, klokka TAI i jordens sentrum ;
3. TAI beregnes av BIPM.

Forklaring

Det er ikke klart fra begynnelsen at en gruppe stasjonære klokker på den roterende jorden kan synkroniseres med hverandre, siden de befinner seg i jordens gravitasjonspotensial og beveger seg mot hverandre på grunn av jordens rotasjon , noe som betyr at de er utsatt for tidsutvidelse . Det viser seg imidlertid at stasjonære klokker, som er lokalisert på den samme potensialoverflaten av jordens gravitasjonsfelt, går i samme hastighet; se avsnittet riktig tid på den roterende jorden i artikkelen dynamisk tid . Hastigheten på klokker på forskjellige ekvipotensielle overflater kan konverteres til hverandre. Potensialet W ₀ anvendt i definisjonen er den beste verdi tilgjengelig i 1998 i forbindelse geopotential av den geoide ; den brukes også av IAU for å definere jordtid og av IERS . Nyere målinger viser imidlertid en verdi som er omtrent 2,6 m² / s² mindre, så “TAI-ekvipotensialområdet” er omtrent 26 cm under geoiden. Før 2018 henviste TAI-definisjonen til geoiden. Endringen har fordelen at definisjonen blir uavhengig av endringer i geoidpotensialet, for eksempel på grunn av en økning i havnivået .

Bestemmelsen av TAI-nullpunktet med differansen 32,184 s til jordtid 1. januar 1977, klokka 0 ble TAI valgt fordi det også er i TT-definisjonen av IAU. IAU henviste i sin tur til denne datoen fordi fra 1977 ble "styring" av TAI introdusert, hvorved TAI andre falt bedre sammen med SI andre; forskjellen på 32,184 s garanterer at den jordiske tiden kommer sømløst ut av den tidligere brukte efemertiden .

Forholdet mellom TAI og UTC

Den TAI er en atom tid, det vil si, den er basert på en atomtidsstandard , nemlig den SI andre . I hverdagen er tidsskalaer som er så synkronisert som mulig med gjennomsnittlig soltid mer av interesse, hvor den koordinerte universelle tiden UTC, som i 1961 erstattet UT2 , som tidligere ble brukt som universell tid , er av største betydning. Når lengden på dagen øker på grunn av bremsing av jordens rotasjon , faller UTC under TAI. Mot slutten av 1971 ble dette i stor grad oppveid av en avmatning i UTC: UTC-sekundet varte lenger enn SI-sekundet. Siden 1972 har UTC også vært basert på SI-sekundet, og differansen kompenseres med opptil to sprangsekunder per år. 1. januar 1958 klokka 0 samsvarte UT2 og TAI nøyaktig: TAI = UT2 ≈ UT1 , i dag (2021) er UTC 37 s bak TAI.

Dannelse av TAI

I tillegg til cesiumklokker, som spiller en spesiell rolle fordi definisjonen av det andre er basert på en overgang i cesium -133-atomet, bidro eller bidro også atomklokker som bruker overganger i andre atomer til TAI . Brukes hydrogen (se hydrogenmaser ) og rubidium -87 (se Rubidiumuhr ) hvis overgangsfrekvenser som med cesium innen mikrobølger er, og i noen år ytterbium -171 og andre isotoper med overganger i det optiske spektrale området. Optiske atomur har fordelen i forhold til konvensjonelle atomur at de er betydelig mer nøyaktige, selv om det bare er kort tid.

Hvert laboratorium k danner i sanntid med sine atomur den best mulige tilnærmingen UTC ( k ) til den ennå ukjente UTC. På PTB ( Physikalisch-Technische Bundesanstalt ) har den blitt implementert av en aktiv hydrogenmaser siden 2010, hvor frekvensen sammenlignes og justeres nesten daglig med en cesium fontenen klokke . I Tyskland er den lovlige tiden avledet fra UTC (PTB) ved å legge til en eller to timer .

Tidsskalaene UTC ( k ) brukes til den konstante indirekte sammenligningen av alle klokkene som bidrar til TAI. Innen et laboratorium sammenlignes klokkene med den respektive UTC ( k ). Forskjellene mellom de forskjellige UTC ( k ) bestemmes ved hjelp av GPS eller TWSTFT . PTB spiller en sentral rolle i dette, siden alle UTC ( k ) siden 2018 har blitt sammenlignet direkte med UTC (PTB). Kloksammenligning ved bruk av TWSTFT gir vanligvis mer nøyaktige resultater enn å bruke GPS. Dette skyldes at kalibreringsusikkerheten u _Cal , som i stor grad avhenger av signalutbredelsestiden i enhetene som brukes, og som i stor grad bestemmer stabiliteten til TAI eller UTC, vanligvis er flere nanosekunder for GPS-målinger og er derfor betydelig større enn en typisk verdi på 1, 5 ns for TWSTFT-målinger. Alle sammenligningsresultater blir sendt til Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) i Sèvres nær Paris og publisert. Forskjellene mellom målingene og de to klokkene i og j kan beregnes ut fra dataene . ${\ displaystyle h_ {i} (t)}$${\ displaystyle h_ {j} (t)}$

For å beregne TAI, blir en tidsskala kalt "EAL" ( fransk Echelle Atomique Libre ) først opprettet i en iterativ prosess , som deretter resulterer i TAI ved skalering. EAL har form av et vektet gjennomsnitt ,

${\ displaystyle {\ mathit {EAL}} (t) = \ sum _ {i} w_ {i} [h_ {i} (t) + h '_ {i} (t)]}$.

Her er igjen lesingen av klokken i på tid t . Den er modifisert av et begrep som er kvadratisk i tid , som er avledet fra klokkens hastighet i det forrige evalueringsintervallet, og som en lineær frekvensdrift av klokken med hensyn til EAL kan kompenseres. er vekten klokken i er inkludert i middelverdien ( ). I det sakte skiftende avviket til denne middelverdien fra lesing av en klokke j , ${\ displaystyle h_ {i} (t)}$${\ displaystyle h '_ {i} (t)}$${\ displaystyle w_ {i}}$${\ textstyle \ sum \ nolimits _ {i} w_ {i} = 1}$

${\ displaystyle {\ mathit {EAL}} (t) -h_ {j} (t) = \ sum _ {i} w_ {i} [(h_ {i} (t) -h_ {j} (t)) + h '_ {i} (t)]}$,

de kjente leseforskjellene er inkludert . ${\ displaystyle h_ {i} (t) -h_ {j} (t)}$

De bestemmes iterativt på en slik måte at klokker med en godt forutsigbar hastighet tillegges høyere vekt enn klokker som avviker betydelig fra prognosen. For dette formålet dannes først en foreløpig EAL for inneværende måned M med vektene fra forrige måned som startverdier . Med den beregnes forskjellen mellom forventet og faktisk gjennomsnittsfrekvens for klokken i for hver klokke . Sammen med de tilsvarende beløpene , er ... de foregående månedene et mål på unøyaktigheten til klokken, ${\ displaystyle w_ {i}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {i, M}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {i, M-1}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {i, M-2}}$${\ displaystyle \ sigma _ {i} ^ {2}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {i} ^ {2} = {\ frac {\ sum _ {k = 0} ^ {K_ {i} -1} (K_ {i} -k) \ epsilon _ {i, Mk } ^ {2}} {\ sum _ {k = 0} ^ {K_ {i} -1} (K_ {i} -k)}}}$,

Vant. er en gjennomsnittsverdi av kvadratfrekvensavvikene de siste månedene, hvor de siste månedene har bidratt mer enn lengre tid. kan ha verdier mellom 5 og 12; Klokker der bare data fra mindre enn 5 måneder er tilgjengelige, blir observert, men blir ikke lenger tatt i betraktning for EAL-beregningen. Med ufullkommenhet i alle klokker er det forbedrede vekter ${\ displaystyle \ sigma _ {i} ^ {2}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {i, Mk} ^ {2}}$${\ displaystyle K_ {i}}$${\ displaystyle K_ {i}}$

${\ displaystyle w_ {i} = {\ frac {1 / \ sigma _ {i} ^ {2}} {\ sum _ {j} 1 / \ sigma _ {j} ^ {2}}}}$

beregnet, avviker fra dette forholdet i to tilfeller: (a) Vekten av spesielt nøyaktige klokker er begrenset til fire ganger gjennomsnittsvekten for alle klokker; (b) grovt gale klokker ( motta vekten 0. De nye vektene brukes til å beregne en forbedret EAL. Denne forbedringssløyfen (forbedret , forbedret EAL) kjøres gjennom fire ganger; det siste resultatet er EAL for inneværende måned.${\ displaystyle \ epsilon _ {i, M}> 5 \, \ mathrm {ns} / \ mathrm {d}}$${\ displaystyle w_ {i}}$

Varigheten av EAL-sekundet kan avvike fra SI-sekundet. Derfor sammenlignes klokkefrekvensen til EAL med noen få (i månedene oktober til desember 2019 var det 7, 5 og 8 klokker.) Spesielt nøyaktige klokker, de såkalte PFS ( English Primary Frequency Standards ) og SFS ( Engelske sekundære frekvensstandarder ), sammenlignet. Sammenligningen blir vanskeligere av det faktum at disse klokkene vanligvis ikke kjører kontinuerlig, og at forholdet mellom tiden som vises av sammenligningsklokken (en annen atomur fra laboratoriet som PFS / SFS-klokken sammenlignes med) og EAL på grunn av til klokke sammenligning ved hjelp av GPS og TWSTFT er kun kjent med begrenset nøyaktighet. Korreksjonen av EAL ved å justere frekvensen ("styre" TAI) er derfor basert på komparative data fra en lengre periode og kunngjøres på forhånd for den nåværende måneden. I desember 2019 var forholdet f (TAI) = f (EAL) −6.493 · 10 ⁻¹³ gyldig . Resultatet er TAI.

TAI og UTC, som bare skiller seg fra det med et helt antall sekunder, blir publisert i den månedlige sirkulæren T av BIPM. Den viser forskjellene mellom UTC - UTC ( k ) og sanntid UTC ( k ) for de enkelte laboratoriene, samt avvikene mellom GPS og GLONASS-tidene fra UTC. (Dette er tilnærminger av tidsskalaene UTC ( USNO ) eller UTC (SU).) Det er også estimater for nøyaktigheten til TAI og en tabell med lenkene som ble brukt til tidssammenligningen.

Se også

• Jordbasert tid
• Koordinert universaltid (UTC)
• Universell soltid (UT1)
• GPS-tid

litteratur

• G. Panfilo og F. Arias: The Coordinated Universal Time (UTC) . I: Metrologia . teip 56 , 2019, 042001, doi : 10.1088 / 1681-7575 / ab1e68 (engelsk). Detaljert beskrivelse av algoritmene 
  

weblenker

• Andreas Bauch: Hvordan tiden blir laget. I: Einstein Online. Max Planck Institute for Gravitational Physics, 2006 . ; åpnet 20. februar 2020Oversiktsartikkel (ikke alltid oppdatert) 
  
• FTP-server til BIPM Time Department. BIPM; åpnet 20. februar 2020rådata og resultater av UTC / TAI-beregningen: målinger av tidssammenligning, klokkevekt, sirkulær T, årsrapporter, ... 
  
• BIPM Time Department Database. BIPM-; åpnet 20. februar 2020deltakende laboratorier, klokketyper, interaktive diagrammer av forskjellene UTC - UTC (k) og UTC - GPS / GLONASS-tid, ... 
  

Individuelle bevis

1. ↑ Atomiske klokker som deltar i TAI-statistikk. I: BIPM Time Department Database. BIPM, åpnet 29. januar 2020 . 
2. ↑ Liste over deltakere til UTC. I: BIPM Time Department Data Base. BIPM, åpnet 29. januar 2020 . 
3. ↑ ^{a b} BIPM (red.): BIPM årsrapport om tidsaktiviteter 2018 . ISBN 978-92-822-2271-3 , pp. 9–30 (engelsk, fulltekst [PDF]). 
4. ↑ ^{a b} Circular T. BIPM, åpnet 29. januar 2020 . 
5. ↑ Verdien er resultatet av de 12 månedlige gjennomsnittsverdiene for 2019, som du finner i de aktuelle sirkulære T-ene (avsnitt 3 “Varighet av TAI-skalaintervallet d”); se rundskriv T 373-384 .
6. ↑ TAI - UTC (1. januar 1972 - 28. desember 2020). IERS , åpnet 29. januar 2020 . 
7. ↑ ^{a b} Andreas Bauch, Stefan Weyers, Ekkehard Peik: Hvordan tikker en atomur? - Realisering av det andre fra 1955 til i dag . I: PTB-Mitteilungen . teip 126 , 2016, s. 17–34 ( fulltekst [PDF; åpnet 19. februar 2020] tekstside = pdf side + 16). 
8. ^ ^{A b} Oppløsning 2 av 26. CGPM. På definisjonen av tidsskalaer. Bureau International des Poids et Mesures , 2018, åpnet 16. april 2021 .  
9. So Michael Soffel: Astronomisk-geodetiske referansesystemer. (PDF) 2016, s. 38–41 , åpnet 31. januar 2020 .  
10. ↑ ^{a b} A konvensjonell verdi for geoidreferansepotensialet W ₀ . (PDF) I: Unified Analysis Workshop 2017. German Geodetic Research Institute , s. 5–7 , åpnet 31. januar 2020 (engelsk). 
11. ^ ^{A b} Oppløsning A4: Anbefalinger fra arbeidsgruppen for referansesystemer. (PDF) I: XXIs General Assembly, Buenos Aires, 1991. IAU, s. 12–22 , åpnet 31. januar 2020 (engelsk, fransk, TT-definisjon i anbefaling IV (s. 16)). 
12. ^ B. Guinot: Historie fra Bureau International de l'Heure . I: ASP Conference Series . teip 208 , 2000, s. 181 , strekkode : 2000ASPC..208..175G (engelsk). 
13. ↑ Atomic Clocks og PSFS terminologi for BIPM klokkekoder. I: BIPM Time Department Database. BIPM, åpnet 19. februar 2020 . 
14. Ba Andreas Bauch et al.: Generering av UTC (PTB) som en fontensklokkebasert tidsskala . I: Metrologia . teip 49 , 2012, s. 180-188 , doi : 10.1088 / 0026-1394 / 49/3/180 . 
15. ↑ UTC (PTB) eller CET / CEST distribueres av tidssignalsenderen DCF77 , flere NTP- servere og uhr.ptb.de- siden, som er tilgjengelig i en hvilken som helst nettleser .
16. ↑ GPS-tid sammenligninger. PTB, åpnet 19. februar 2020 . 
17. ↑ Toveis tids- og frekvenssammenligning (TWSTFT). PTB, åpnet 19. februar 2020 . 
18. ↑ ^{a b c d e} G. Panfilo og F. Arias: The Coordinated Universal Time (UTC) . I: Metrologia . teip 56 , 2019, 042001, doi : 10.1088 / 1681-7575 / ab1e68 (engelsk). 
19. ↑ Rundskriv T 384 [desember 2019]. BIPM, 9. januar 2020, åpnet 22. februar 2020 (avsnitt 5 “Tidskoblinger brukt til beregning av TAI, kalibreringsinformasjon og tilsvarende usikkerheter”; Forklaring i forklarende tillegg ). 
20. ↑ Klokker og tidsoverføringsfiler. BIPM, åpnet 19. februar 2020 (engelsk, forklaring i readme.pdf ). 
21. ^ Rapporter om evaluering av primære og sekundære frekvensstandarder. BIPM, åpnet 19. februar 2020 . 
22. ↑ Rundskriv T 384 [desember 2019]. BIPM, 9. januar 2020, åpnet 19. februar 2020 (avsnitt 2 “Forskjell mellom normaliserte frekvenser av EAL og TAI”). 
23. ↑ Tidsskalaen TAI og EAL. PTB, åpnet 19. februar 2020 . 
24. ↑ "SU" er laboratoriet forkortelse av den russiske metrologi institutt VNIIFTRI .