UTC časová stupnica

Koordinovaný svetový čas (UTC) je medzinárodne dohodnutá časová stupnica založená atómovom čase (TAI) doplnenom o prestupnú sekundou pre zachovanie synchronizácie s nepravidelnou rotáciou Zeme. Môžeme ho chápať ako „svetové hodiny“ a základ občianskeho času. Je koordinovaná a udržiavaná Medzinárodným úradom pre váhy a miery (BIPM) a je založená na atómových hodinách. Avšak nie je to čisto atomóvý čas, pretože obsahuje i nepravidelné prestupné sekundy, ktoré sú pridávané pre udržanie synchronizácie s nepravidelnou rotáciou Zeme a slnečným časom UT1.

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.

Na tvorbe UTC sa podieľa 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 vzniká preto spätne a výpočty sú publikované jedenkrát mesačne v Circular-T reporte BIPM. V praxi je realizovaná pomocou národných etalónov času, ktoré sú koordinované a porovnávané s UTC.

UTC čas je nepraktické používať na celom svete rovnaký. V závislosti od zemepisnej dĺžky, by napr. poludnie, kedy je Slnko najvyššie nepripadalo na čas 12:00, ale skoršiou alebo neskoršiu hodinu. Takýto systém by bol 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 reprezentáciou 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, je základná fyzikálna jednotka času v sústave SI, systéme jednotiek, ktorý je založený iba na prírodných konštantách. Značka sekundy je malé písmeno s,

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 byť realizované pomocou atómových hodín. Vďaka tejto definícii dosahujeme vysokú presnosť a stabilitu merania času, čo je zásadné nie len pre vedecký výskum, ale aj pre mnoho aplikácií vrátane navigácie, v telekomunikáciách, elektrických prenosových sústavách alebo finančnom sektore.

Medzi jednotkami SI ma sekunda význačné postavenie. S výnimkou 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. V 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 synchronizáciu času v počítačových sieťach, ale jeho presnosť kolíše v závislosti od latencie prenosu po sieti a jej vyťaženosti. Šírenie 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 dva 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 času a frekvencie môžete mať vďaka verejnému NTP serveru napojenému na tento 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)
  • vyplnením adresy time.gov.sk pre zmenu časového servera (Change the time server).
• MacOS
  • v systémových 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 počítačov v práci je častokrát riadený doménovým serverom. Zmenu nastavenia časového servera preto konzultujte so 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 inštitútov, ako napr.

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

Prípradne si môžete pozrieť niektoré z videí:

• Ak chcete 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)
• Ak chcete 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)
• Ak chcete vedieť viac o meraní času
  • Why Syncing Atomic Clocks is Virtually Impossible (Judah Levine)
  • Frequency Stability Estimation: Allan Variance and Friends (François Vernotte)