Časové škály

Mapa zatmění Slunce v roce 136 př.n.l. dle různých časových škál

V první polovině 20. století narazili astronomové na zajímavý problém, výpočty časů dávných astronomických úkazů nesouhlasily se soudobým pozorováním. Příkladem může být úplné zatmění Slunce roku 136 př. n. l. pozorované v tehdejším Babylóně a zaznamenané na klínopisných tabulkách. Přesný výpočet určil, že se tak stalo 15. dubna, ale mělo být viditelné v Evropě, tedy úplně jinde. To bylo podivné, ale výpočty byly určitě v pořádku. Nakonec se zjistilo, že za to může nepravidelná a hlavně stále se zpožďující zemská rotace. Bylo tedy nutné přidat opravu, která se v průběhu časů zvolna a nepravidelně měnila a nadále mění. Definice časů pak proběhly v minulém století dosti komplikovaným vývojem a dnes je situace následující:

Nejdůležitější časy jsou:

• Terestrický čas (TT, Terrestrial Time) je výsledek výpočtů nebeské mechaniky a je nezávislý na nepravidelné zemské rotaci. Předchůdce tohoto času se shodoval se světovým časem v roce 1900.
• Mezinárodní atomový čas (TAI, Temps Atomique International) je definován pomocí několika stovek nejpřesnějších atomových hodin po světě. V České republice je vícero atomových hodin, ale jen šest (stav v lednu 2018) se podílí na tvorbě TAI. Liší se od terestrického času přesně o 32.184 sekundy, neboť jeho epocha začínala 1. ledna 1958 a právě takový rozdíl byl v té době mezi předchůdcem terestrického času a světovým časem.
• Světový čas (UT, Universal Time): existují tři verze světového času, rozdíly mezi nimi jsou malé. Nejzajímavější pro nás je UT1, který nazýváme také jako rotační čas. Nejvěrněji zobrazuje nepravidelnou rotaci Země. Tento čas se zvolna a nepravidelně na níže zobrazeném grafu přesunuje vlevo. Má charakter spíše úhlu (je odvozen z hvězdného času) a pouze z tradičních důvodů o něm hovoříme jako o čase.
• Světový koordinovaný čas (UTC, Coordinated Universal Time): to je nám známý čas na hodinkách, pochopitelně ještě opravený o časová pásma. Dle definice nesmí rozdíl časů UT1 a UTC přesáhnout ±0.9 sekundy. Pokud by se tak mělo stát, vloží se do UTC přestupná sekunda a rozdíl se tím zmenší. Naopak, rozdíl mezi UTC a TAI naroste o jednu sekundu a je to vždy celé číslo. Nyní činí tento rozdíl 37 sekund, více najdete v odstavci vkládání přestupných sekund níže na této stránce. Atomové hodiny TAI tedy ukazují o tento počet sekund více, než je světový koordinovaný čas. Samozřejmě by se mohla v případě potřeby i sekunda odebrat, ale zemská rotace se zatím jen stále zpožďuje a tak k odebrání sekundy ještě nikdy nedošlo. Aktuální hlášení IERS (Mezinárodní služba pro rotaci Země) o případném vložení přestupné sekundy najdete zde.

Časy TT a TAI běží stejně rychle, liší se jen pevně daným rozdílem. Naproti tomu rozdíl mezi UT a TT (i TAI) je variabilní. Příčinou je zpomalující se zemská rotace a definice sekundy podle soustavy SI:

Tento násobek byl zvolen tak, aby délka sekundy byla stejná jako předchozí definice délky sekundy, která se odvozovala z délky tropického roku 1900. Ovšem v dnešní době je střední hodnota slunečního dne ve skutečnosti přibližně o 0.002 sekundy delší než 86400 takto definovaných sekund. Za století se totiž prodlouží střední sluneční den o zhruba 0.002 sekundy, hlavně v důsledku slapového tření se rychlost rotace Země totiž neustále zpomaluje. Změny rotace ještě závisí i na rozložení atmosférických a oceanských hmot v čase. Všechny tyto procesy však nelze přesně předpovídat. Čas UT1 se počítá z úhlu rotace Země a pak se konvertuje do času. Pak se kontroluje rozdíl mezi UT1 a UTC, jakmile se rozdíl blíží jedné sekundě, oznámí se přidání přestupné sekundy k UTC. Rozdíl mezi UT1 a UTC se tak zmenší a naopak rozdíl mezi UTC a TAI se zvětší přesně o jednu sekundu. V průměru se tak děje jednou za půldruhého roku, přitom hlavní příčinou je, že současná střední hodnota slunečního dne je ve skutečnosti přibližně o 0.002 sekundy delší než 86400 atomových sekund. A ve vzdálené budoucnosti by bylo zapotřebí přidávat přestupné sekundy ze stejného důvodu stále častěji. Proto bylo v roce 2022 rozhodnuto, že po roce 2035 se přestanou vkládat přestupné sekundy a rozdíl mezi UTC a TAI se tak bude stále zvětšovat. A do roku 2026 by se mělo rozhodnout, zda-li se budou vkládat přestupné minuty (asi jednou za století), nebo se nebude dělat nic.

Graf rozdílů mezi časovými škálami

Pro úplné pochopení smyslu přestupných sekund snad pomůže následující příklad. Kdesi ve vesmíru je hypotetická planeta a zdejší obyvatelé kdysi určili dobu rotace planety za jednu jednotku. Ale později se zjistilo, že to není přesně, jedna otočka planety trvá ve skutečnosti 1.11 jednotky. Co teď? Jednotku jako časovou míru nechtěli měnit, její délka zůstala tedy stejná. Pro rotaci planety určili čas UT1, což byl ve skutečnosti úhel o který se za jednu jednotku času planeta otočila, což matematicky vyjádřeno je 1/1.11=0.9. Čas UT1 přibývá tedy po 0.9. Mají také atomový čas TAI, který běží ideálně rovnoměrně a přibývá pěkně po jedné jednotce. A čas UTC je jejich koordinovaný čas. Dejme tomu, že nastal okamžik kdy TAI=100, UT1=89.4 a UTC=90, viz první řádek tabulky níže. Rozdíl mezi UT1 a UTC je -0.6 a rozdíl mezi TAI a UTC je přesně 10 jednotek.

V druhém řádku tabulky časy TAI i UTC vzrostou o jednu jednotku. Jen UT1 se zvětší o 0.9, díky tomu vzroste rozdíl mezi UT1 a UTC na -0.7. To už je velký rozdíl a tak se v další jednotce času vloží jedna jednotka navíc do UTC, tím se jakoby pozdrží jeho číslování. Výsledek je pak ve třetím řádku, čas TAI má hodnotu 102 jednotek, ale UTC stále 91. Rozdíl tedy vzrostl na 11 jednotek. Ale rozdíl mezi UT1 a UTC klesl na 0.2 jednotky. Dál se situace opakuje, rozdíl mezi UT1 a UTC nejdříve dokonce klesá, ale za nějaký čas začne zase růst a nakonec bude zapotřebí opět vložit přestupnou jednotku. Tento jednoduchý příklad snad osvětlil podstatu problému přestupných sekund.

Pro příklad je níže uvedená tabulka skutečných změn rozdílu UT1-UTC v sekundách po jednotlivých dnech, vidíte i následek vložení přestupné sekundy dne 30. června 2015.

Vkládání přestupných sekund

Dne 1. ledna 1972 byl rozdíl mezi TAI a UTC zarovnán přesně na 10 sekund. První přestupná sekunda byla vložena hned o půl roku později, dne 30. června 1972 UTC. Pro naše časové pásmo platí, že prosincová přestupná sekunda se vkládá hodinu po půlnoci (tedy až prvního ledna), na kvalitních digitální hodinách by se pak mělo zobrazit postupně:

A červnová přestupná sekunda se díky letnímu času vkládá dvě hodiny po půlnoci (tedy až prvního července), na kvalitních digitální hodinách by se pak mělo zobrazit postupně:

Níže je zobrazena časová osa postupného vkládání všech přestupných sekund.

Časová osa postupného přidávání přestupných sekund

Delta T (ΔT)

Změny hodnot delta T v historii

Rozdíl časů TT a UT1 je nazýván delta T (ΔT) a tento rozdíl je zapotřebí odečíst od výpočtem získaného terestrického času TT. Teprve potom dostaneme světový čas UTC (rozdíl mezi UTC a UT1 můžeme pro naše potřeby zanedbat, z definice je to maximálně 0.9 sekundy). Pak ještě upravíme UTC o časové pásmo a výsledek je okamžik určité astronomické události pro dané místo. Například v tomto kalendáři uváděné časy začátků ročních dob. Potíž je zjistit hodnoty delta T pro minulé doby, pomáhají však tomu dobové zápisky o zatměních Slunce (což je nepřehlédnutelný jev). Takže v době zatmění v Babylóně bylo delta T něco přes tři hodiny a za tu dobu se zeměkoule již dosti pootočí.

Nepravidelnost zemské rotace a tedy i nemožnost přesně určit delta T v budoucnu, komplikuje přesné časové určení astronomických událostí odehrávajících se v budoucnosti. Například astronomové zabývající se nebeskou mechanikou spočítali, že o půlnoci na 28. března roku 224508 (opravdu jde o rok přes dvě stě tisíc), nastane nadmíru zajímavý úkaz: současný přechod planet Venuše a Merkur přes Slunce viditelný ze Země. Pochopitelně jde o terestrický čas (TT), ten je zapotřebí ještě převést na světový (UTC). A bohužel nyní nikdo nemůže určit, jaké bude v té době delta T, možná i 4 roky…

Další informace:

• O času
• Astronomické hodiny
• Aktuální stav na stránce Earth orientation center, včetně rozdílu UT1-UTC
• Aktuální TAI a UTC současně
• On-line výpočet delta T dle různých teorií
• Přesné hodnoty delta T od roku 1973 do dnes po jednotlivých měsících
• Hodnoty delta T od roku 1657 do 1984
• Stránka NASA: Historical Values of Delta T