Kelloja on jälleen siirrettävä

Prahan vanhakaupungin raatihuoneen kello. Kuva
Wikimedia Commons.

Uudenvuodenyön aamun tunteina joudumme jälleen säätämään kellomme uuteen aikaan. Tällä kertaa ajanlisäys on 1 sekunti ja se tehdään 1.1.2017 (Suomen aikaa) kello 01.59.59 jälkeen, siis seuraava sekunti on 01.59.60 ja sitten 02.00.00.

Sekunnin lisäys vuorokauteen johtuu maapallonpyörimisen hidastumisesta, jonka pääosin aiheuttaa Kuu ja sen aiheuttama vuorovesivoima. Kuu etääntyy maapallosta noin 3,8 cm vuodessa. Etääntyminen kuluttaa energiaa ja sitä on saatavissa käytännössä vain maapallon pyörimisestä. Pyörimisenergian väheneminen näkyy pyörimisen hidastumisena.

Karkaussekunnin lisäämisestä on tässä blogissa kirjoitettua laajemmin

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/07/vuoden-loppuun-lisataan-karkaussekunti_7.html

Vuoden loppuun lisätään karkaussekunti

Maapallon pyörimisen hidastyminen aiheuttaa
karkaussekunnin lissämistarpeen. Kaaviossa on
esitetty hidastumisen aiheuttamat aikajärjestelmän
muutokset.

International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) on päättänyt lisätä karkaussekunnin tämän vuoden loppuun. Sekunti lisätään UTC ^[1]aikaan (1.1.2017 kello 1.59.59 Suomen aikaa) seuraavasti:

2016 December 31, 23 h 59 m 59 s

2016 December 31, 23 h 59 m 60 s

2017 January 1, 0 h 0 m 0 s

Karkaussekunnin lisäämistarve johtuu maapallon pyörimisen hidastumisesta, joka lisää vuorokauden pituutta nykyisin noin 1,7 ms vuosisadassa. Maapallon pyörimistä hidastaa^[2] vuorovesi-ilmiö ja maapallolla tapahtuvat massojen siirtymiset sekä jotkut meteorologiset ilmiöt. Esimerkiksi talvella lumipeitteen kertyminen napa-alueille nopeuttaa pyörimistä ja vastaavasti keväällä lumien sulaminen ja virtaaminen meriin hidastaa pyörimistä. Lisäksi seismisten ilmiöiden, esimerkiksi maanjäristysten aiheuttamat massojen siirtymiset voivat vaikuttaa maapallon pyörimisnopeuteen.

IERSn havainnot maapallon pyörimisen hidastumisesta päivittäin
ja vuosittain. Yhtenäinen punainen viiva on
kumulatiivinen pyörimisen hidastuma ja punaiset pisteet
osoittavat lisätyt karkaussekunnit. Kuva IERS.

IERS tarkkailee maapallon pyörimistä ja määrittelee sen mukaan karkaussekuntien lisäämis- tai poistamistarpeen.  Karkaussekunti lisätään koordinoituun yleisaikaan, joka pidetään synkronoituna maapallon pyörimiseen sekunnin tarkkuudella. Synkronoinnin avulla esimerkiksi vuorokausi vaihtuu keskiyöllä eikä siirry hiljalleen vuosituhansien aikana iltayöhön. Karkaussekunteja joudutaan lisäämään hieman alle 50 kertaa vuosisadassa.

Mistä sitten tiedetään, että maapallon pyöriminen hidastuu? Siihen tarvitaan tietysti hyvin tarkka kello ja sellainen on ns. atomikello ja sen mittaama aika tunnetaan lyhenteellä TAI (International Atomic Time).  Atomikellot^[3] otettiin käyttöön vuonna 1972. Siitä lähtien karkaussekunteja on lisätty alkuasetuksena 10 sekuntia ja varsinaisia karkaussekunteja on lisätty 26 kertaa.  Lisäys tapahtuu joko kesäkuun tai joulukuun lopussa, edellisen kerran näin tapahtui kesäkuussa 2015 (UTC-aikaa).

Karkaussekuntijärjestelmä on saanut jonkin verran kritiikkiä osakseen. Useita ehdotuksia on tehty järjestelmän korvaamiseksi, mutta mitään järkevää korvaavaa järjestelmää ei kuitenkaan ole keksitty. Jokaisesta korvausehdotuksesta on löydetty sellaisia heikkouksia, että ne on jätetty ns. pöydälle. Heikkoudet liittyvät usein siihen, että karkaussekunnin ja näin ollen muidenkin korjausmenetelmiin liittyy se, että maapallon pyörimisen hidastuminen voidaan todeta vain jälkikäteen tarkkojen havaintojen perusteella, Maan pyörähdysajan muutosta kun ei voi ennakoida mitenkään.

Huomautukset

[1] Koordinoitu yleisaika UTC on aikaviitejärjestelmä johon käytössä oleva ajanmittaus perustuu. Suomen aika on 2 tuntia edellä UTC aikaa ja se perustuu maapallon jakamiseen 24 täyden tuntien aikavyöhykkeeseen. Näiden lisäksi on joitakin puolituntisia aikavyöhykkeitä esimerkiksi Intiassa, jossa paikallisaika on 5,5 tuntia edellä UTC-aikaa. Vastaavia puolituntisia aikavyöhykkeitä on käytössä monissa muissakin valtioissa Aasiassa.

Jotta asia ei olisi näin yksinkertainen, niin esimerkiksi Australiassa noudatetaan aikavyöhykkeitä +8 ¾ h, +9,5 h ja +10 h aikavyöhykkeitä. Eikä Australia ole ainoa, sillä myös Nepalissa on käytössä +5 3/4 h aikavyöhyke.  Ja jotta asia menisi totaalisesti sekaisin Kiribatilla, Samoalla ja Tongalla aikavyöhyke on +13 h, sillä ne sijaitsevat Kansainvälisen päivämäärärajan itäpuolella.

[2] hidastuminen on vain toinen vaihtoehto, sillä pyöriminen voi myös nopeutua jos massojen siirtyminen vien niitä lähemmäksi pyörimisakselia. Näin voi tapahtua suuressa mittakaavassa esimerkiksi jääkausien jäätiköitymisvaiheessa.

[3] Nykyisin yli 400 yli 50 kansallisessa aikalaboratorioissa.

Karkaussekunti lisätään kesäkuun lopulla UTC aikaan

Kuva IERS.

Earth Orientation Center of the International Earth Rotation and reference System Service (IERS) on päättänyt, että karkaussekunti lisätään tämän vuoden kesäkuun loppuun. Lisäys on tarpeen syystä, että maapallon pyöriminen on hidastunut sen verran, että koordinoidun yleisajan (UTC)[1] ja atomikellojen ajan (TAI)[2] välinen aika ero on kasvanut 0,9 sekuntiin. 

Karkaussekunteja on lisätty yleisaikaan vuoden 1972 jälkeen kaikkiaan 25 kertaa ja nyt kesäkuun lopussa tehtävä lisäys on 26. Tätä ennen karkaussekunti lisättiin kesäkuun lopussa vuonna 2012.

Karkaussekunteja lisätään joko kesäkuun tai joulukuun lopussa. Pakottavissa tapauksissa karkaussekunteja voidaan lisätä myös maaliskuun tai syyskuun lopussa. Toistaiseksi maaliskuun tai syyskuun loppuun ei ole ollut tarvetta lisättä karkaussekuntia.

Laajemmin karkaussekunnista

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2015/01/karkaussekunti-kesakuun-loppuun.html

Huomautukset

[1] Koordinoitu yleisaika (UTC) perustuu UT1 aikaan, joka puolestaan on synkronoitu maapallon pyörimiseen ja siitä tehtyihin havaintoihin. Maapallon pyörimisnopeutta seurataan käyttäen Very Long Baseline Interferometry (VLBI) radioverkon tekemiä havaintoja.

[2] Kansainvälistä atomiaikaa (Temps Atomique International,  TAI) hallinnoi ja laskee Bureau International des Poids et Mesures (BIPM).

Karkaussekunti kesäkuun loppuun

Lisätyt karkaussekunnit vuodesta 1972 lähtien. Piirros IERS.

Kansainvälinen Maan pyörimisen ja viitejärjestelmien palvelu (IERS) on päättänyt lisätä kesäkuun loppuun yhden ylimääräisen sekunnin. 

Lisäys tehdään koordinoituun yleisaikaan (UTC) seuraavasti:

30.6.2015   23 h 59 m 59 s

30.6.2015   23 h 59 m 60 s

17.1.2015     0 h   0 m   0 s

Kansainvälisen atomiajan (TAI)^[1] ja UTC^[2] aikojen välinen ero (UTC-TAI) on ollut (1.7.2012 alkaen) -35 s ja on heinäkuun alun jälkeen -36 sekuntia. Korjaussekunteja lisätään siten, että korjaamaton aikaero aikajärjestelmien välillä ei ole suurempi kuin 0,9 sekuntia.

Aikaero ja sen korjaustarve johtuu maapallon pyörimisen hidastumisesta. Nykyisellään hidastuminen on suunnilleen 1,7 ms vuosisadan aikana. Hidastumisvauhti ei tunnu äkkiseltään kovinkaan suurelta, mutta se kertyy keskimääräisesti jokaiselta vuorokaudelta sadan vuoden aikana, niin lopputulos on hieman yli puoliminuuttia.  Näin suurta eroa maapallon pyörimisen, koordinoidun yleisajan ja Kansainvälisen atomiajan kesken ei voida hyväksyä.

Maapallon vuorokauden pituuden vaihtelu
Kansainväliseen atomiaikaan verrattuna
1600-luvulta alkaen. Piirros IERS.

TAI ja UTC aikojen välinen korjaus otettiin käyttöön vuonna 1972, jonka jälkeen korjauksia on tehty kaikkiaan 25 kertaa, viimeksi siis vuoden 2012 kesäkuun lopussa.

Lisäämisajankohta määräytyy toteutuneen pyörimisnopeuden hidastumisen perusteella ja perustuu siis tarkkoihin havaintoihin. Hidastuminen (vuorokauden pituuden kasvu 1,72 ms sadassa vuodessa) on vain karkea keskiarvo ja todelliseen hidastumiseen ja pyörimisnopeuteen vaikuttavat monet tekijät; esimerkiksi vuodenaikainen vaihtelu siten, että maapallon pohjoiset mantereiden ja Jäämeri saavat lumi- ja jääpeitteen, nopeuttavat pyörimistä. Vastaavasti lumien ja jään sulaminen hidastavat pyörimistä ^[3].

Vuorokauden pituus vuoden 2014 aikana.
Piirros IERS.

Yksi pyörimisnopeuteen vaikuttava tekijä on laattatektooninen. Mannerlaattojen siirtyminen ja subduktioalueilla tapahtuvat massan siirtymät vaikuttavat kaikki suoraan maapallon pyörimisnopeuteen. Samoin vuoristojen kohoaminen ja rapautuminen aiheuttavat omat vaikutuksensa pyörimisnopeuteen.

Ilmakehässä tapahtuvat massansiirrot muuttavat maapallon vuorokauden pituutta jatkuvasti. Näitä tekijöitä ei voida luotettavasti ennakoida, joten korjaukset aikajärjestelmään on tehtävä vain havaintojen perusteella.

Huomautukset

[1] Kansainvälinen atomiaika joka otettiin käyttöön vuonna 1972 ja on sen jälkeen edennyt tasaisesti sekunnin määritelmän mukaisesti.

[2] Koordinoitu yleisaika UTC, joka on käytännössä myös sama kuin Greenwichin yleisaika GMT, on käytössä oleva kellonaika. Paikallinen yleisaika saadaan kun GMT aikaan lisätään (Suomessa) 2 h (normaaliaika) tai 3 h (kesäaika). 

[3] IERS määrittelee maapallon pyörimisaikaan vaikuttavat tekijät pyörimismomenttiin vaikuttavina tekijöinä, joita ovat: Maapallon ytimen ja manttelin (CAM), hydrologiset (HAM, valtameret (OAM), Ilmakehän (AAM) pyörimismomentit. Lisäksi otetaan huomioon moni muita tekijöitä.