UTC časová stupnica

Koordinovaný svetový čas (UTC) je medzinárodne dohodnutá časová stupnica a celosvetový základ občianskeho merania času. Môžeme ho chápať ako „svetové hodiny“. Je koordinovaná a udržiavaná Medzinárodným úradom pre váhy a miery (BIPM) a je založená na atómových hodinách. Avšak nie je to čiste atomóvý čas, pretože obsahuje i nepravidelné prestupné sekundy, ktoré sú pridávané pre udržanie synchronizáce s nepravidelnou rotáciou Zeme a slunečným časom UT1.

Na tvorbe UTC sa podiela okolo 80 národných metrologických inštitútov, tým že poskytujú svoje časové údaje a porovnávajú svoje etalóny času s ostatnými. BIPM vypočítava UTC z porovnania vyše 450 atómových hodín a 12 primárnych frekvenčných štandardov prevádzkovaných v týchto inštitútoch. UTC je "papierová" stupnica vypočítavaná jedenkrát mesačne a publikovaná v Circular-T reportu BIPM, ale je realizovaná v praxi pomocou národných etalónov času, ktoré sú koordinované a porovnávané s UTC.

Ak by sa čas štandardizoval tak, že by všetci ľudia na svete používali UTC, potom by v závislosti od zemepisnej dĺžky mohlo 12.00 pripadať na východ Slnka, západ Slnka alebo dokonca na hlbokú noc. Takýto systém by preto nebol praktický. V nasledujúcich desaťročiach sa preto na celom svete zaviedli časové pásma. Tie umožnili, aby si jednotlivé oblasti Zeme upravili UTC o dohodnuté časové posuny tak, aby lepšie zodpovedal miestnemu striedaniu dňa a noci. V rámci jedného časového pásma je čas rovnaký a pri prechode do susedného pásma sa spravidla zmení o jednu hodinu. (V skutočnosti existuje aj niekoľko časových pásiem, ktoré sa odlišujú o zlomok hodiny, princíp však zostáva rovnaký.)

UTC(SMU)

UTC(SMU) časová stupnica je fyzickou reprezentácou stupnice UTC generovaná primárnym etalónom času a frekvencie v SMÚ - céziovými atómovými hodinami, v súčasnosti typu HP 5071A. Od roku 1997 je tento vyhlásený za národný etalón času a frekvencie NE 004/97, etalón najvyššej metrologickej úrovne, ktorý je na Slovensku postavený najvyššie v schéme nadväznosti mier a meradiel času a frekvencie.

Vo všeobecnosti sa každý takýto etalón skladá z:

• hlavného oscilátora
zdroja periodického elektronického signálu, ktorý má a priori neznámy čiastkový ofset |y| << 1 od nominálnej frekvencie f0, ale ktorý je nepretržite v prevádzke a je kontinuálne a po ľubovoľnú dobu pozorovateľný. Čiastkový frekvenčný ofset y je definovaný ako (f-f0)/f0
• počítadla / deličky frekvencie
každé pozorovanie základnej frekvencie f0 Hz cyklov časovej stupnice UTC(k) hlavného oscilátora, kde k je označenie miestneho laboratória, označuje časový interval 1 sekundy. Elektronický čítač/delička akumuluje tento jav generovaním signálu, ideálne impulzu s rýchlym nábehom napätia pre dosiahnutie vysokého rozlíšenia.
• referenčného bodu
3 konvencie definované miestnym laboratóriom k určujú definíciu UTC(k) vzhľadom na periodický elektrický signál počítadla/deličky: fyzická lokalizácia, merací protokol a vzťah k UTC. Pretože rýchlosť každého signálu je konečná je potrebné definovať referenčný merací bod (napr. konektor), jeho fyzickú polohu pre porovnávanie UTC(k). Všetky ostatné odovzdávania a porovnávania signálu musia brať do úvahy následné oneskorenia signálu. A pretože signály sú emitované s konečnou impedanciou a konečnou šírkou pásma, je potrebné prijať úzus stanovujúci moment, ktorý označuje periodicitu signálu na referenčnom bode (napr. napäťovú úroveň spúšťača). A posledne je potrebné prijať skutočnosť, že elektronickému impulzu bude navždy priradená (časová) značka označujúca celočíselnú sekundu v UTC časovej stupnici nezávisle od toho, aký rozdiel zlomku sekundy |Δ| << 1 existuje alebo sa vytvorí medzi UTC(k) a UTC. Počet impulzov od tohto referenčného impulzu produkuje označenú sekundu v UTC(k) časovej stupnici.
• prenosu časovej stupnice
prenosu časovej stupnice UTC(k) do BIPM, pričom sú kompenzované všetky oneskorenia od referenčného bodu UTC(k). BIPM publikuje jedenkrát mesačne report Circular-T, z ktorého je možné získať ofset frekvencie y a ofset časovej stupnice Δ.
• koordinácie časovej stupnice
minimalizácie, ak je to v záujme laboratória, rozdielu UTC-UTC(k) a/alebo zlepšeniu nestability UTC(k) a to adjustovaním odchýlky frekvencie hlavného oscilátoru y alebo kompenzovaním ofsetu.

Medzinárodné porovnávanie

Medzinárodné porovnávanie etalónov času je významnou časťou v systéme tvorby svetovej etalónovej hodnoty jednotky času. Porovnávanie je organizované ako nepretržitá služba, pretože čas je jednotka trvale plynúca. V súčasnosti sa porovnávanie vykonáva hlavne pomocnou pomocného referenčného signálu. Použitie všeobecne dostupného alebo špeciálne vytvoreného pomocného signálu dáva možnosť organizácii kontinuálneho porovnávania aj niekoľkých etalónov súčasne v rovnakom čase a taktiež eliminuje potrebu transportu etalónov, pri ktorom vznikajú prídavné chyby. Pre porovnávanie sa v SMÚ používa v súčasnosti GPS GNSS systém pri využití Common-View metódy.

↑ Hore ↑

Sekunda

Sekunda, označovaná písmenom s, je základná fyzikálna jednotka času v sústave SI, systéme jednotiek, ktorý je založený iba na prírodných konštantách.

Sekunda je definovaná pevnou číselnou hodnotou céziovej frekvencie, ∆ν_Cs, prechodovej frekvencie atómu cézia 133 v kľudovom stave pri prechode medzi dvoma hladinami veľmi jemnej štruktúry základného stavu, rovnej 9 192 631 770, ak je vyjadrená v jednotke Hz (hertz), ktorá sa rovná s^-1.

1 s = 9 192 631 770 / ∆ν_Cs,
kde ∆ν_Cs je prírodnou konštantou.

Dôsledkom tejto definície je, že sekunda je rovná trvaniu 9 192 631 770 periód žiarenia odpovedajúcemu prechodu medzi dvoma hladinami veľmi jemnej štruktúry základného stavu atómu cézia 133 v kľudovom stave. Zmienka o kľudovom stave atómu má za účel zdôrazniť, že definícia SI sekundy predpokladá izolovaný atóm cézia pri teplote absolútnej nuly, ktorý nie je ovplyvnený žiadnym okolitým poľom.

Súčasná definícia bola prijatá v roku 1967, upravená v roku 2019 a umožňuje veľmi presné meranie času, ktoré je nezávislé od astronomických javov a môže být realizované pomocou atómových hodin. Vďaka tejto definícii môžeme dosahovat vysokú presnosť a stabilitu merania času, čo je zásadné nie len pre vedecký výskum ale aj pre mnoho aplikací vrátane navigácie, v telekomunikáciách, eletrických prenosových sústavách alebo finančnom sektore.

Priestupná sekunda je jednosekundová oprava nepravidelne aplikovaná v časovej stupnici UTC tak, aby bol rozdiel astronomického času UT1, ovplyneného neprevidelnou rotáciou Zeme a UTC menší ako ±0,9 s.

Medzi jednotkami SI ma sekunda význačné postavenie. S výminkou jednotky látkového množstva, mol, sú od sekundy závislé všetky ostatné jednotky v sústave SI. Neistota jej merania priamo vstupuje do neistoty meraní ostatných jednotiek.

↑ Hore ↑

Šírenie času

Šírenie času je spôsob, akým vieme preniesť informáciu o aktuálnom čase z jedného miesta na druhé. S súčasnosti medzi najbežnejšie spôsoby šírenia času patria:

• globálne navigačné satelitné systémy (GPS, Galileo),
• telekomunikačné siete (GSM siete mobilných operátorov, alebo dátové siete s využitím protokolov NTP a PTP),
• rádiové signály (napr. vysielač DCF77 v Nemecku s dosahom až na Slovensko),
• dedikované satelitné linky (TWSTFT - Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer),
• (dedikované) optické linky.

Každý z týchto spôsobov má svoje výhody a nevýhody, a je vhodný pre rôzne aplikácie v závislosti od požadovanej presnosti, dostupnosti a nákladov. Napríklad GNSS poskytujú širokú dostupnosť a výbornú presnosť, ale sú ovplyvňované atmosférickými (ionosférickými) podmienkami a tiež sú ľahko rušiteľné. NTP je jednoduchý a široko používaný protokol pre synchronizaciu času v počítačových sieťach, ale jeho presnosť kolíše spolu s latenciou prenosu po sieti a jej vyťaženosťou. Širenie rádiového signálu na dlhých vlnách (77,5 kHz pri DFC77) má iba obmedzenú presnosť a dosah. Pri väčších vzdialenostiach kolíše čas potrebný na prekonanie vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom medzi dňom a nocou.

Preto, kým prvé tri spôsoby sú využívané najmä priemyslom, službami a verejnosťou, ostatné 2 sú špecifický určené pre účely metrológie na porovnávanie etalónov času a vedeckého výskumu.

Ako si nastaviť NTP vo Vašom počítači

Čas zo Slovenského národného etalónu môžete mať vďaka verejnému NTP serveru napojenému na národný etalón etalón aj Vy. Na Vašom domácom počítači vykonáte nastavenie pre operačný systém

• Windows 11
  • v Nastaveniach (Settings),
  • v časti Čas a jazyk (Time & Language) → Dátum a čas (Date & time),
  • v rozšírených nastaveniach (Addtiional settings)
  • vyplenením adresy time.gov.sk pre zmenu časového servera (Change the time server).
• MacOS
  • v sysémových nastaveniach (System Settings),
  • v časti Dátum a čas (Date & Time)
  • nastavením zdroja (Source) na time.gov.sk.
• Unix/Linux
  • doplnením nového NTP serveru do konfiguračného súboru NTP služby pomocou nového riadku
  server time.gov.sk iburst
  • a reštartovaním služby.

POZNÁMKA: Čas Vašich počítačov v práci je častokrát riadený doménovým serverom. Zmenu nastavenia časového servera preto konzultujte s Vaším systémovým administrátorom alebo správcom siete.

↑ Hore ↑

Chcem vedieť viac

Ak Vás téma zaujíma a chcete vedieť viac o čase a realizácii sekundy odporúčame navštíviť aj stránky iných významých organizácií ako napr.

• BIPM (Bureau International des Poids et Mesures)
• NIST (National Institute of Standards and Technology)
• NPL (National Physical Laboratory)
• PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

alebo si pozrieť niektoré z nižšie spomenutých videí, ak

• chcem vedieť viac o atómových hodinách
  • How an Atomic Clock Really Works: Inside the HP 5061A Cesium Clock (CuriousMarc)
  • Laser Cooling and Quantum Timekeeping (Bill Phillips)
• chcem vedieť viac optických hodinách
  • Inside The Most Precise Atomic Clock in the World (Jun Ye)
  • The NIST ²⁷Al⁺ quantum-logic clock(Mason C Marshall)
  • What Optical Atomic Clocks Tell Us About Space-Time (Jun Ye)
• chcem vedieť viac o meraní času
  • Why Syncing Atomic Clocks is Virtually Impossible (Judah Levine)
  • Frequency Stability Estimation: Allan Variance and Friends (François Vernotte)