Es ist nicht die Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit, die wichtig ist, sondern die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit (im rotierenden Referenzrahmen, die der Sonne zugewandt bleibt), die nicht mit einem 24-Stunden-Tag übereinstimmt.

Somit akkumulieren Schaltsekunden (im Durchschnitt ^{1 sup>) mit einer nahezu konstanten Rate, da (wie Sie hervorheben) die durchschnittliche Änderungsrate im Vergleich zu der bestehenden Nichtübereinstimmung zwischen der tatsächlichen Tageslänge und niedrig ist was unsere Uhren sagen.}

R Denken Sie daran, dass eine Schaltsekunde ein absoluter Offset ist, der addiert / subtrahiert wird, und kein Multiplikator für die Geschwindigkeit unserer Uhren, der das Problem für die Zukunft behebt, bis die Geschwindigkeit etwas weiter driftet.

Wir korrigieren den "Fehler" in unserer Zeitfunktion, indem wir Schrittversätze hinzufügen und nicht die Steigung ändern. Die Länge einer SI-Sekunde bleibt fest, und die Länge eines Tages durch unsere Uhren bleibt fest auf 24 Stunden / 86400 SI-Sekunden (ohne Schaltsekunde).

1. In der Praxis funktioniert das lineare Modell kurzfristig überhaupt nicht: Es gibt viele Variationen von Jahr zu Jahr, und 1,5 bis 2 ms / Tag / Jahrhundert sind nur ein langfristiger Durchschnitt. In der Antwort von @David Hammen finden Sie eine schöne Grafik und weitere Details. Er kommentierte:

   Neun Schaltsekunden wurden in den ersten acht Jahren nach der Implementierung des Konzepts der Schaltsekunden hinzugefügt, während in den 13 Jahren ab 1999 nur zwei hinzugefügt wurden.

   Die chaotische kurzfristige Variation dominiert in jedem Zeitraum, der kurz genug ist, um die durchschnittliche Verlangsamung zu ignorieren.

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Weitere Details aus the Leap Second article des US Naval Observatory

Die SI-Sekunde (9 192 631 770 $ Zyklen des Cäsiumatoms) wurde zu 1/31 556 925,9747 $ des Jahres 1900 gewählt.

Die Erde wird ständig abgebremst, was durch die Bremswirkung der Gezeiten verursacht wird. Durch die Verwendung alter Beobachtungen von Finsternissen ist es möglich, die Verzögerung von the Earth auf ungefähr 1,5 bis 2 Millisekunden pro Tag und Jahrhundert zu bestimmen. .

Beachten Sie die Einheiten dieser Messung: Es sind ms pro Tag und Jahrhundert oder $ \ Delta s / s / s $, wie eine Beschleunigung, keine Geschwindigkeit. Und definitiv nicht 1,5 ms pro Jahrhundert.

Rein zufällig ist ein mittlerer Sonnentag derzeit im Durchschnitt 2 ms länger als ein SI-Tag, sodass die aktuelle Fehlerakkumulationsrate 2 ms / Tag beträgt. Es ist ungefähr 1 Jahrhundert seit der bestimmenden Epoche für die SI-Sekunde vergangen. Es dauert weniger als 1000 Tage, um eine weitere Schaltsekunde zu benötigen. . (Es gibt verschiedene Effekte, die dazu führen, dass Sonnentage unterschiedlich lang sind, aber im Durchschnitt sind sie länger als 24 Stunden und werden noch länger.)

In einem weiteren Jahrhundert (mit konstanter Verzögerung der Erde) müssen wir etwa doppelt so oft Schaltsekunden hinzufügen wie jetzt, um die kumulative Differenz UT1-UTC bei zu halten weniger als 0,9 Sekunden.

Es ist ein kumulativer Effekt.Nehmen wir an, der mittlere Sonnentag ist etwa 1,5 Millisekunden länger als der SI-Tag von 86400 Sekunden.Dieser Unterschied summiert sich jeden Tag.Nach 1000 Tagen beträgt die Gesamtdifferenz 1,5 Sekunden.Nach 18000 Tagen, was ungefähr 50 Jahren entspricht, beträgt die Gesamtdifferenz 27 Sekunden.Aus diesem Grund wurden seit 1972 27 Schaltsekunden eingefügt.

Siehe auch diese Grafik im Wiki-Artikel über die Schaltsekunde.

Hier gibt es gute Antworten, aber es bleibt eine Frage: Wenn die Atomzeit erst seit etwa 50 Jahren existiert und sich die Erdrotation nur mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 ms / Tag / Jahrhundert verlangsamt, wie kommt es dann? brauchen wir schon jedes oder jedes zweite Jahr eine Schaltsekunde? Sollten wir zu diesem Zeitpunkt nicht nur etwa 1 Sekunde Fehler pro Jahrzehnt ansammeln?

Und die Antwort darauf beinhaltet eine kleine Geschichte: Die "atomare" SI-Sekunde wurde gewählt, um die Kontinuität mit der Sekunde der Ephemeridenzeit aufrechtzuerhalten, die 1952 standardisiert wurde. Und obwohl die Ephemeridenzeit basierte - ziemlich beeindruckend - bei über 150 Jahren astronomischer Beobachtungen bedeutet die Länge dieser Beobachtungen, dass ET die Länge des mittleren Sonnentages um 1820 widerspiegelt. Daher war der mittlere Sonnentag in den 1960er und 1970er Jahren bereits länger als 86.400 Sekunden um 1-3 ms pro Tag. Dies bedeutet, dass sich der Fehler bei der Einführung der Schaltsekunde im Jahr 1972 bereits mit einer Geschwindigkeit ansammelte, die die regelmäßige Einführung von Schaltsekunden erforderte.

Tatsächlich widersetzt sich die Erde seit einiger Zeit dem langfristigen Trend und beschleunigt ihre Rotation, was dazu führt, dass sich das Tempo der Schaltsekunden-Addition für einige Zeit verlangsamt Dies ist jedoch nur eine zufällige Schwankung, und auf lange Sicht wird sich der Trend durchsetzen und der Fehler wird mit zunehmender Geschwindigkeit zunehmen, was eine häufigere Hinzufügung von Sprüngen erforderlich macht Sekunden im Laufe der Jahrhunderte, es sei denn, eine Kalenderreform macht sie vorher unnötig.

Warum werden Schaltsekunden so oft benötigt?

TL; DR: Wir benötigen häufig Schaltsekunden, da die Definition einer Sekunde, die 1/86400 eines Tages beträgt, eine zweihundert Jahre alte Verzerrung (ein Versatz ungleich Null) aufweist.

Eine Erklärung mit tausend Wörtern (auch bekannt als ein Bild):

^{Quelle: Public Domain Wikipedia Commons-Seite Abweichung der Tageslänge vom SI-Tag. sup>}

Die grauen und grünen Kurven im obigen Diagramm zeigen die Variationen der Tageslänge (die Länge eines mittleren Sonnentages abzüglich 86400 Sekunden) vom 1. Januar 1962 bis zum 31. Dezember 2016 in Einheiten von Millisekunden (linke vertikale Achse). . Die graue Kurve zeigt geglättete Tageswerte, während die grüne Kurve einen laufenden Durchschnitt von 365 Tagen zeigt. Die rote Kurve zeigt den Bereich unter der Kurve, wobei der Nullpunkt am 1. Januar 1972 festgelegt wurde (als das Schaltsekundenkonzept eingeführt wurde). Die roten Punkte zeigen an, wann jede Schaltsekunde eingeführt wurde. Die rote Kurve und die roten Punkte sind in Sekundeneinheiten die rechte vertikale Achse.

Beachten Sie, dass die Länge des Tages sehr unterschiedlich ist. Diese kurzfristige Variabilität ist das Ergebnis eines Drehimpulsaustauschs zwischen den fünf unterschiedlich rotierenden Teilen der Erde: der Atmosphäre, den Ozeanen, der Kruste und dem Mantel, dem äußeren Kern und dem inneren Kern. Was Sie in dieser kurzen Zeitspanne von 55 Jahren nicht sehen können, ist, dass die Tageslänge auch langfristige Trends aufweist. Diese langfristigen Trends sind teilweise auf Änderungen des Trägheitstensors der Erde zurückzuführen (die Erde erholt sich immer noch vom Ende der letzten Eiszeit) und teilweise auf eine weltliche Übertragung des Drehimpulses von der Erde auf den Mond. P. >

Die Übertragung des Drehimpulses von der Erde auf den Mond bedeutet, dass ein Tag jetzt länger ist als in der fernen Vergangenheit. Während die Geschwindigkeit, mit der die Erde den Drehimpuls auf den Mond überträgt, sehr gering ist, baut sich dieser unaufhaltsam im Laufe der Zeit auf. Der Tag ist jetzt erheblich länger als vor 4,5 Milliarden Jahren (ein Tag soll kurz nach der Entstehung des Mondes etwa vier bis sechs Stunden lang gewesen sein) und viel länger als vor 2,5 Milliarden Jahren (der erste zuverlässige Beobachtungen basierend auf Gezeitenrhythmiten).

Der Tag ist jetzt auch ein bisschen länger als vor ein paar Jahrhunderten. Diese paar Jahrhunderte sind der Schlüssel zur Beantwortung der Frage "Warum werden so oft Schaltsekunden benötigt?" Unser Konzept eines Tages mit 24 Stunden oder 86400 Sekunden basiert darauf, wie lange ein Tag vor ein paar Jahrhunderten gedauert hat. Der langfristige Trend lässt die Erde jetzt ein bisschen langsamer rotieren als damals. Dies führt zu einer Vorspannung (einem Versatz ungleich Null) in der Kurve. Die Vorspannung in der grünen Kurve führt dazu, dass die rote Kurve, die Fläche unter der grünen Kurve, ein säkulares Wachstum zeigt. Schaltsekunden werden hinzugefügt, wenn die rote Kurve mehr oder weniger eine Sekunde gewinnt.

Detail: Es wird empfohlen, am 30. Juni oder 31. Dezember eine Schaltsekunde zu addieren oder zu subtrahieren, wenn die absolute Differenz zwischen UT1 und UTC 0,6 Sekunden überschreitet. Schaltsekunden waren immer positiv. Aufgrund der ~ 200 Jahre alten Tendenz bei der Definition einer Sekunde war nie eine negative Schaltsekunde erforderlich.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Erde wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, die sowohl lokal auf dem Planeten (z. B. Wetter) als auch extern (z. B. Gravitationsstörungen des Sonnensystems) auftreten.

Ihre inhärente Annahme, dass nur 1 Faktor sie beeinflusst und nur mit einer konstanten Rate, ist falsch.

Die Geschwindigkeit nimmt mathematisch chaotisch zu und ab und ist daher schwer vorherzusagen. Die IERS attempt, um Änderungen bis zu 6 Monate im Voraus vorherzusagen, mit dem Ziel, das Delta zwischen der hochgenauen "Atomzeit" und der zivilen UTC-Zeit unter 0,9 SI-Sekunden zu halten, indem oder das Entfernen von -Schaltsekunden zu UTC höchstens mathematisch und politisch angemessen istJahreszeit.

Ein guter Vergleich hierfür ist die US-Staatsverschuldung gegenüber dem US-Staatsdefizit.Die US-Schulden belaufen sich derzeit auf 21 Billionen Dollar, aber das US-Staatsdefizit für 2017 betrug weniger als 700 Milliarden Dollar.Die Schaltsekunden sind wie die Schulden, sie summieren sich immer wieder.Die Änderung der Tageslänge entspricht einer Änderung des Defizits, die im Vergleich zur Verschuldung gering erscheint.

Schaltsekunden werden nicht hinzugefügt, um die Verlangsamung der Erdumdrehung zu erklären.Sie werden hinzugefügt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Erdrotation und ihre Umdrehung (um die Sonne) nicht perfekt synchronisiert sind.Das Hinzufügen eines zusätzlichen Tages alle vier Jahre (mit Ausnahme bestimmter ungewöhnlicher Umstände) hilft, korrigiert aber immer noch nicht perfekt die Nichtübereinstimmung zwischen Rotation und Revolution.Deshalb werden Schaltsekunden verwendet.

Bearbeiten: @JBently ist korrekt (siehe Kommentar unten).Ich habe die zwei verschiedenen "Sprung" -Korrekturen zusammengeführt.Die Zeitmessung ist kompliziert und alte Erinnerungen sind manchmal irreführend.Jim Garrison hat auch einen Punkt, da die Tageslänge aufgrund des Wetters und geologischer Faktoren leicht variiert.Daher sind die Schaltsekundenzusätze unvorhersehbar.