Czas atomowy: czy sekunda przestępna stanie się zbędna?
Dawno temu my, ludzie, zdefiniowaliśmy dobę jako czas potrzebny Ziemi na wykonanie jednego obrotu wokół własnej osi, z jednym wschodem i jednym zachodem Słońca. Podzieliliśmy tę dobę na 24 godziny. Jeśli jednak obrót Ziemi nieco spowolni, jego wykonanie zajmuje trochę więcej czasu niż jedna doba. Dzieje się tak od wielu lat. Ponieważ zegary atomowe, których używamy do śledzenia praktycznie wszystkiego – od wiadomości internetowych poprzez aplikacje GPS aż po automatyczne transakcje giełdowe – nigdy nie zwalniają, globalni strażnicy czasu co jakiś czas dodają sekundę przestępną do zegarów, aby zsynchronizować je z Ziemią. Od 1972 roku wykonaliśmy tę niezręczną operację 27 razy.
Jednakże być może po raz pierwszy będziemy musieli odjąć sekundę przestępną, ponieważ od około 1990 roku obrót Ziemi przyspieszył, przeciwdziałając spowolnieniu i skracaniu doby. Istnieją dwa wyjaśnienia, dlaczego tak się dzieje, które wyjaśnię... za sekundę.
Wiele osób zadaje sobie pytanie, po co w ogóle zawracać sobie głowę sekundami przestępnymi. Za każdym razem, gdy potrzebna jest korekta, trzeba wprowadzić zmiany w oszałamiającej liczbie komputerów i operacji telekomunikacyjnych. W zwykły dzień National Institute of Standards and Technology (NIST), który utrzymuje czas atomowy dla Stanów Zjednoczonych i synchronizuje większość komputerów na świecie, otrzymuje ponad 100 mld żądań koordynacji czasu z nawet miliarda komputerów. Wprowadzanie modyfikacji związanych z sekundami przestępnymi może powodować problemy. Zmiana wprowadzona w 2012 roku została obwiniona za nagłą awarię serwisu Reddit i zakłócenia systemów operacyjnych w liniach lotniczych Qantas Airways, co doprowadziło do dużych opóźnień lotów w całej Australii.
Co by było, gdybyśmy po prostu zignorowali fakt, że obrót Ziemi i zegary atomowe są przesunięte względem siebie o sekundę lub nawet o minutę? Według szacunków nastąpi to za 100 lat, jeśli do tego czasu nic nie zrobimy. Czy w naszym wysoce zdigitalizowanym świecie dokładna długość doby obrotowej ma w ogóle znaczenie?
Ziemia obraca się, ponieważ nasz Układ Słoneczny powstał z wirującego obłoku gazu i pyłu. W przestrzeni kosmicznej nie ma praktycznie żadnego oporu, więc planety, w tym Ziemia, nie przestają się kręcić. Kiedy Ziemia się obraca, przyciąganie grawitacyjne między nią a Księżycem i (w mniejszym stopniu) Słońcem wywołuje pływy oceaniczne. Gdy pływy przesuwają się po dnie morskim, wytwarzają tarcie, które stopniowo spowalnia obrót planety. W erze dinozaurów doba trwała około 23,5 godz.; od tego czasu tarcie pływowe ją wydłużyło.
Z badań fal sejsmicznych wynika, że Ziemia ma stałe jądro wewnętrzne i płynne jądro zewnętrzne, które są otoczone stałymi płaszczem i skorupą. Prądy w zewnętrznym jądrze powodują, że płaszcz obraca się szybciej lub wolniej, ale w ciągu wieków zmiany te mają tendencję do znoszenia się, co sprawia, że dominującym trendem jest spowalnianie pływowe.
Spowalnianie pływowe zachodzi stale, ale trendowi temu przeciwdziała przyspieszanie rotacji Ziemi, dlatego czas pomiędzy kolejnymi dodanymi sekundami przestępnymi wydłużył się z około roku w latach 70. do trzech lub czterech lat w pierwszej dekadzie XXI wieku.
Obliczenia wskazywały, że w 2026 roku przyspieszanie przeważy nad spowalnianiem i będziemy musieli odjąć sekundę przestępną.
Obecnie globalne ocieplenie znacznie skomplikowało jednak takie prognozowanie. Gdy pod koniec ostatniej epoki lodowej ogromne pokrywy lodowe na biegunach północnym i południowym uległy stopieniu, ciężar tego lodu zmalał, zaś ściśnięta pod nim skorupa ziemska zaczęła powracać do stanu pierwotnego. Trwa to do dziś. Dzięki temu Ziemia staje się bardziej kulista. (Nasza planeta nie jest idealną kulą; jest nieco grubsza w okolicach równika). Zmiana kształtu oznacza, że całkowita masa Ziemi jest rozłożona nieco bliżej jej osi obrotu, co przyspiesza jej ruch. Z tego samego powodu łyżwiarze obracają się szybciej, gdy podciągają do siebie rozłożone ramiona.
Jednak w miarę ocieplania się klimatu topniejąca woda z pokrywy lodowej rozlewa się w globalnym oceanie, zaś jego większa część znajduje się na niższych szerokościach geograficznych, dalej od osi obrotu niż czapy lodowe. Zjawisko to spowalnia obrót (łyżwiarze rozkładają szeroko ramiona). Na razie efekt ten jest silniejszy, co opóźnia moment, w którym przyspieszanie rotacji przewyższy spowalnianie pływowe. Według najnowszych badań takie przeciwdziałanie sprawi, że nie będziemy musieli odejmować sekundy przestępnej aż do 2029 roku.
Jeśli wziąć pod uwagę tak wiele zmiennych, uzasadnione jest pytanie, czy w ogóle powinniśmy dodawać lub odejmować sekundy przestępne. A ponieważ spowalnianie pływowe zawsze będzie trendem długoterminowym, być może już nigdy nie będziemy musieli odejmować sekundy – po co więc jednorazowo zadawać sobie tyle trudu? Niewiele programów komputerowych napisano tak, żeby możliwe było wprowadzenie ujemnej sekundy przestępnej.
Jedynym powodem, dla którego czas atomowy powinien być synchronizowany z czasem słonecznym, może być szacunek dla tego ostatniego. Jeśli oba czasy będą się różnić, „dla większości ludzi nie będzie to miało żadnych konsekwencji” – twierdzi Duncan Carr Agnew, geofizyk ze Scripps Institution of Oceanography. Jest on autorem artykułu w „Nature” z 2024 roku, w którym przewiduje ujemną sekundę przestępną w 2029 roku. Zamiast wprowadzać częste i przypadkowe korekty o sekundę, Agnew opowiada się za odczekaniem całego stulecia, a następnie dokonaniem jednej dużej regulacji, ponieważ przygotowania można poczynić wówczas z dużym wyprzedzeniem.
Pomysł ten cieszył się poparciem już od jakiegoś czasu. W 2022 roku strony międzynarodowej Generalnej Konferencji Miar zagłosowały za zaprzestaniem wprowadzania sekund przestępnych do 2035 roku. Później strażnicy czasu mogą zgodzić się na korektę co 20 lat, a może co 100. Niezależnie od podjętej decyzji, „chcemy jednolitości” – mówi fizyczka Elizabeth Donley, kierująca oddziałem czasu i częstotliwości w NIST. „Czas jest najważniejszą jednostką w międzynarodowym układzie jednostek; zależy od niego wiele innych standardów”.
Niektórzy duzi dostawcy internetu już teraz stosują własne protokoły. Zamiast czekać na jakiekolwiek skokowe zmiany, Google raz dziennie „rozmazuje” swoje zegary o tysięczne części sekundy. Nie wydaje się, żeby takie niezależne działania powodowały jakiekolwiek globalne nieciągłości, ale jeśli coraz więcej dużych podmiotów zacznie to robić, „będziemy mieć do czynienia z anarchią”, twierdzi Donley.
Czekanie przez dziesięciolecia na dobrze zaplanowaną korektę oznacza, że czas astronomiczny („rotacyjny”), znany jako UT1, będzie bardziej odbiegał od skoordynowanego czasu uniwersalnego (UTC), opartego na zegarach atomowych. Donley nie sądzi jednak, że pojawią się problemy. Jak mówi, „sieci komputerowe nie dbają o to, gdzie na niebie znajduje się Słońce”.