Leap second: perché il 2016 durerà un secondo di più ?

E’ ormai deciso, il 2016 sarà un po’ più lungo del normale, esattamente un secondo, quindi aspettate prima di festeggiare.  La decisione presa dall’istituto Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) deriva dalla sincronizzazione del tempo percepito con quello astronomico. L'ultimo minuto di quest’anno avrà 61 secondi: i classici 60 più uno denominato intercalare che ha l’obiettivo di sincronizzare gli orologi atomici alla rotazione terrestre. Oggi si utilizzano gli orologi atomici per la misura del tempo con precisione di oltre il miliardesimo di secondo. La rotazione terrestre rallenta due millisecondi circa ogni giorno, per questo, anzichè velocizzare la rotazione terrestre (alquanto impossibile), è necessario fermare gli orologi atomici in varie occasioni: il prossimo il 31 dicembre 2016.  

Introduzione

Storicamente, il tempo era basato sulla rotazione media della Terra rispetto ai corpi celesti, solo successivamente sono stati introdotti gli orologi atomici e definito il secondo. Tuttavia, l'invenzione degli orologi atomici ha definito un lasso di tempo molto più preciso ed un secondo che è indipendente dalla rotazione terrestre. Negli anni ‘70 gli accordi internazionali hanno stabilito una procedura per mantenere un rapporto tra il tempo universale coordinato (UTC) e UT1, una misura dell’angolo di rotazione della Terra nello spazio.  Dal 1972, sono stati aggiunti una ventina di secondi a intervalli variabili, con il più recente secondo inserito il 30 giugno 2015. Il leap second o appunto secondo intercalare viene normalmente aggiunto o l’ultimo giorno di giugno oppure il 31 dicembre prima dell’avvento del nuovo anno.

Orologi atomici e la rotazione terrestre

Gli orologi atomici (figura 1) sono standard di tempo e di frequenza molto accurati, usati per i servizi di distribuzione orari internazionali, per controllare la frequenza d'onda di trasmissioni televisive e nei sistemi globali di navigazione satellitare come il GPS.  Le agenzie nazionali standard mantengono una rete di orologi atomici con una precisione di 10-9 secondi al giorno. Questi orologi definiscono collettivamente una scala di tempo continuo e stabile, denominato tempo atomico internazionale (TAI). Per il tempo civile, viene considerato il tempo coordinato universale (UTC). UTC è derivato da TAI, ma approssimativamente sincronizzato con UT1 che si basa sulla effettiva rotazione della Terra rispetto al tempo solare.  Il Sistema Internazionale di Unità (SI) definisce un secondo come il tempo che impiega un atomo di cesio-133 di oscillare esattamente 9192631770 volte.   TAI non tiene conto del rallentamento della rotazione terrestre che determina la lunghezza di un giorno. Per questo motivo, TAI è costantemente confrontato con UT1. Prima che la differenza tra le due scale raggiunga una certa frazione di secondo, un secondo di salto viene aggiunto all’UTC.

Aspettate prima di aprire lo spumante, la mezzanotte arriverà un secondo più tardi: un espediente per adeguare il tempo UTC con quello terrestre della rotazione. La velocità di rotazione è difficile da prevedere, con fattori legati al nucleo terrestre; pertanto ogni circa 18 mesi è necessario eseguire degli aggiustamenti temporali. I tecnici dell'IERS riescono a tenere sotto controllo il tempo in accordo alla luce proveniente dalle galassie, in questo modo riescono a misurare la differenza temporale rispetto agli orologi atomici e ad individuare l'instante in cui far scattare il leap second o secondo intercalare. Il protocollo ormai è in vigore da parecchi anni, consolidato nel tempo e circa 25 volte già applicato. La procedura viene presa in considerazione quando la differenza tra il tempo solare e UTC si avvicina ad un valore standard pari a 0,9 secondi (figura 2). Quando poter applicare il secondo intercalare non è deterministico poichè la rotazione dipende da molti fattori quali terremoti ed eventi atmosferici vari. Gli orologi quindi dovranno segnare dopo 23.59.59 non 00.00.00, ma in un certo senso 23.59.60 e solo dopo ripartire da zero.

Per noi esseri umani è impercettibile, ma per i computer potrebbe rappresentare un serio problema.

Che cosa comporta il leap second ? I problemi riguardano gli aspetti informatici, visto che tutti i sistemi si basano su orologi atomici che forniscono sincronizzazioni temporali ben precise. Il cambio dell'ora quindi potrebbe gettare nel caos qualche sistema informatico.

Con il passare del tempo molte aziende hanno preso le precauzioni necessarie, come quello di spalmare il secondo nelle 24 ore, oppure aggiungere dei millisecondi ad ogni aggiornamento come per i server NTP di Google.  Nel 2012 ci sono stati problemi di crash per Linkedin, e l'ultima volta nel 2015 ci sono stati parecchi problemi di rete in molti server di tutto il mondo. Nel 2012, inoltre, Mozilla, Reddit, Foursquare, e StumbleUpon hanno segnalato problemi a riguardo, e Qantas ha dovuto annullare più di 400 voli durante un fine settimana.

 

Figura 1: Schema a blocchi di un orologio atomico

Figura 1: Schema a blocchi di un orologio atomico

 

Figura 2: Differenza di tempo tra UTC e UT1. Le linee verticali corrispondono ai leap second

Considerazioni

La confusione a volte pone delle conclusioni errate, come l'inserimento occasionale del leap second che dovrebbe far smettere di ruotare la terra nel giro di un paio di millenni. Gli incrementi di un secondo sono tuttavia indicazioni della differenza accumulata nel tempo tra i due sistemi di misura.  Le misurazioni mostrano che la Terra, in media, scorre lenta rispetto al tempo atomico, da circa 1,5 a 2 millisecondi al giorno. Questi dati sono generati da USNO utilizzando la tecnica di Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Very Long Baseline Interferometry (VLBI) è una tecnica utilizzata dal United States Naval Observatory (USNO) per determinare lo spazio di riferimento per le stelle e la Terra, mantenendo in questo l'accuratezza del sistema di posizionamento globale GPS (al seguente link una serie di articoli sulla tecnologia GPS) su cui gran parte del mondo dipende per la navigazione. Dalle misure VLBI effettuate da stazioni disposte in una rete internazionale, gli astronomi hanno imparato come la terra non è un cronometro perfetto. Queste osservazioni dimostrano che dopo circa 500-750 giorni, la differenza tra il tempo di rotazione terrestre e il tempo atomico è di circa un secondo. Per evitare che questo accada, un secondo viene inserito per ridurre la differenza temporale tra le due scale temporali. Possiamo facilmente cambiare il tempo di un orologio atomico, ma al momento (e per fortuna) non è possibile modificare la velocità di rotazione della Terra.

4 Commenti

  1. giako 16 novembre 2016
  2. Roberto Baresi Roberto Baresi 29 novembre 2016

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