Всемирное координированное время ( UTC ) — это основной стандарт времени , используемый во всем мире для регулирования часов и времени. Он устанавливает точку отсчета текущего времени, формируя основу для гражданского времени и часовых поясов . UTC облегчает международную связь, навигацию, научные исследования и торговлю.
UTC широко используется большинством стран и является эффективной заменой времени по Гринвичу (GMT) в повседневном использовании и общих приложениях. [a] В таких специализированных областях, как научные исследования, навигация и хронометраж, наряду с UTC также используются другие стандарты, такие как UT1 и Международное атомное время (TAI).
UTC основано на TAI, который является средневзвешенным значением сотен атомных часов по всему миру. UTC отличается от среднего солнечного времени примерно на одну секунду на долготе 0°, в настоящее время используемом нулевом меридиане , и не корректируется на летнее время .
Координация передачи времени и частоты по всему миру началась 1 января 1960 года. UTC был впервые официально принят в качестве стандарта в 1963 году, а «UTC» стало официальной аббревиатурой Всемирного координированного времени в 1967 году. [2] Текущая версия UTC определена Международным союзом электросвязи .
С момента принятия UTC несколько раз корректировалось, в частности, в 1972 году были добавлены дополнительные секунды. В последние годы в сфере UTC произошли значительные изменения, особенно в дискуссиях об исключении дополнительных секунд из системы отсчета времени, поскольку дополнительные секунды иногда нарушают работу систем отсчета времени по всему миру. Генеральная конференция по мерам и весам приняла резолюцию об изменении UTC с помощью новой системы, которая исключит дополнительные секунды к 2035 году. [3]
Официальное сокращение для всемирного координированного времени — UTC . Это сокращение появилось в результате того, что Международный союз электросвязи и Международный астрономический союз хотели использовать одно и то же сокращение на всех языках. [4] В результате был найден компромисс — UTC , [5] что соответствует шаблону сокращений вариантов всемирного времени (UT0, UT1, UT2, UT1R и т. д.). [6]
Маккарти так описал происхождение аббревиатуры:
В 1967 году МККР принял названия Coordinated Universal Time и Temps Universel Coordonné для английского и французского названий с аббревиатурой UTC для использования на обоих языках. Название «Coordinated Universal Time (UTC)» было одобрено резолюцией комиссий IAU 4 и 31 на 13-й Генеральной ассамблее в 1967 году (Trans. IAU, 1968). [2]
Часовые пояса по всему миру выражаются с использованием положительных, нулевых или отрицательных смещений относительно UTC , как в списке часовых поясов по смещению UTC .
Самый западный часовой пояс использует UTC−12 , отставая от UTC на двенадцать часов; самый восточный часовой пояс использует UTC+14 , опережая UTC на четырнадцать часов. В 1995 году островное государство Кирибати переместило свои атоллы на островах Лайн с UTC−10 на UTC+14, чтобы на всех Кирибати был один и тот же день.
UTC используется во многих стандартах Интернета и Всемирной паутины . Протокол сетевого времени (NTP), разработанный для синхронизации часов компьютеров через Интернет, передает информацию о времени из системы UTC. [7] Если требуется точность только в миллисекунды, клиенты могут получить текущее UTC с ряда официальных интернет-серверов UTC. Для субмикросекундной точности клиенты могут получить время из спутниковых сигналов.
UTC также является стандартом времени, используемым в авиации , [8] например, для планов полетов и управления воздушным движением . В этом контексте его часто называют временем Зулу, как описано ниже. Прогнозы погоды и карты используют UTC, чтобы избежать путаницы с часовыми поясами и летним временем. Международная космическая станция также использует UTC в качестве стандарта времени.
Радиолюбители часто планируют свои радиосвязи по всемирному координированному времени (UTC), поскольку передачи на некоторых частотах можно принимать во многих часовых поясах. [9]
UTC делит время на дни, часы, минуты и секунды . Дни традиционно определяются с помощью григорианского календаря , но также могут использоваться юлианские номера дней . Каждый день содержит 24 часа, а каждый час содержит 60 минут. Количество секунд в минуте обычно равно 60, но с иногда включаемой секундой координации оно может быть 61 или 59. [10] Таким образом, в шкале времени UTC секунда и все меньшие единицы времени (миллисекунда, микросекунда и т. д.) имеют постоянную продолжительность, но минута и все большие единицы времени (час, день, неделя и т. д.) имеют переменную продолжительность. Решения о введении високосной секунды объявляются не менее чем за шесть месяцев в «Бюллетене C», выпускаемом Международной службой вращения Земли и систем отсчета . [11] [12] Високосные секунды невозможно предсказать заранее из-за непредсказуемой скорости вращения Земли. [13]
Почти все дни UTC содержат ровно 86 400 секунд SI , при этом в каждой минуте ровно 60 секунд. UTC находится в пределах примерно одной секунды от среднего солнечного времени (например, UT1 ) на долготе 0° , [14] (на опорном меридиане IERS ). Средние солнечные сутки немного длиннее 86 400 секунд SI, поэтому иногда последняя минута дня UTC корректируется так, чтобы иметь 61 секунду. Дополнительная секунда называется високосной секундой. Она учитывает общую сумму дополнительной длины (около 2 миллисекунд каждая) всех средних солнечных суток с момента предыдущей високосной секунды. Последняя минута дня UTC может содержать 59 секунд, чтобы покрыть отдаленную возможность более быстрого вращения Земли, но это пока не было необходимости. Неравномерная продолжительность дня означает, что дробные юлианские дни не работают должным образом с UTC.
С 1972 года UTC может быть рассчитано путем вычитания накопленных секунд координации из Международного атомного времени (TAI), которое является координатной шкалой времени, отслеживающей воображаемое собственное время на вращающейся поверхности Земли ( геоиде ) . Для того чтобы поддерживать близкое приближение к UT1 , UTC иногда имеет разрывы , когда оно переходит от одной линейной функции TAI к другой. Эти разрывы принимают форму секунд координации, реализованных днем UTC нерегулярной длины. Разрывы в UTC происходили только в конце июня или декабре. Однако есть положение, что они могут происходить в конце марта и сентябре, а также во втором предпочтительном случае. [15] [16] Международная служба вращения Земли и систем отсчета (IERS) отслеживает и публикует разницу между UTC и всемирным временем, DUT1 = UT1 − UTC, и вводит разрывы в UTC, чтобы удерживать DUT1 в интервале (−0,9 с, +0,9 с).
Как и в случае с TAI, UTC известно с наивысшей точностью только в ретроспективе. Пользователи, которым требуется приближение в реальном времени, должны получить его из лаборатории времени, которая распространяет приближение с использованием таких методов, как GPS или радиосигналы времени . Такие приближения обозначаются как UTC( k ), где k — это сокращение от лаборатории времени. [17] Время событий может быть предварительно записано по одному из этих приближений; более поздние исправления могут быть применены с использованием ежемесячной публикации Международным бюро мер и весов (BIPM) таблиц разностей между каноническим TAI/UTC и TAI( k )/UTC( k ), оцененных в реальном времени участвующими лабораториями. [18] ( Подробности см. в статье о Международном атомном времени .)
Из-за замедления времени стандартные часы, не находящиеся на геоиде или находящиеся в быстром движении, не будут поддерживать синхронность с UTC. Поэтому телеметрия от часов с известной связью с геоидом используется для предоставления UTC, когда это необходимо, в таких местах, как космические корабли.
Невозможно вычислить точный интервал времени, прошедший между двумя временными метками UTC , не сверяясь с таблицей, показывающей, сколько високосных секунд произошло в течение этого интервала. В более широком смысле, невозможно вычислить точную продолжительность интервала времени, который заканчивается в будущем и может включать неизвестное количество високосных секунд (например, количество секунд TAI между «сейчас» и 2099-12-31 23:59:59). Поэтому многие научные приложения, требующие точного измерения длинных (многолетних) интервалов, используют вместо этого TAI. TAI также обычно используется системами, которые не могут обрабатывать високосные секунды. Время GPS всегда отстает от TAI ровно на 19 секунд (ни на одну из систем не влияют високосные секунды, введенные в UTC).
Часовые пояса обычно определяются как отличающиеся от UTC на целое число часов, [19] хотя законы каждой юрисдикции должны быть проконсультированы, если требуется точность до доли секунды. Несколько юрисдикций установили часовые пояса, которые отличаются на нечетное целое число получасов или четвертей часа от UT1 или UTC.
Текущее гражданское время в определенном часовом поясе можно определить, прибавив или вычтя количество часов и минут, указанных в смещении UTC , которое варьируется от UTC−12:00 на западе до UTC+14:00 на востоке (см. Список смещений UTC ).
Часовой пояс, использующий UTC, иногда обозначается как UTC±00:00 или буквой Z — ссылка на эквивалентный морской часовой пояс (GMT), который обозначается буквой Z примерно с 1950 года. Часовые пояса идентифицировались последовательными буквами алфавита, а часовой пояс Гринвича был отмечен буквой Z, поскольку он был точкой происхождения. Буква также относится к «описанию пояса» нулевых часов, которое использовалось с 1920 года (см. историю часовых поясов ). Поскольку фонетическое слово алфавита НАТО для Z — «Zulu», UTC иногда называют «время Зулу». Это особенно актуально в авиации, где «Zulu» является универсальным стандартом. [20] Это гарантирует, что все пилоты, независимо от местоположения, используют одни и те же 24-часовые часы , что позволяет избежать путаницы при перелетах между часовыми поясами. [21] См. список военных часовых поясов для букв, используемых в дополнение к Z в квалификационных часовых поясах, отличных от Гринвича.
На электронных устройствах, которые позволяют настраивать часовой пояс только с помощью карт или названий городов, UTC можно выбрать косвенно, выбрав такие города, как Аккра в Гане или Рейкьявик в Исландии, поскольку они всегда используют UTC и в настоящее время не используют летнее время (в отличие от Гринвича и Лондона , которые используют его, и поэтому могут быть источником ошибки). [22]
UTC не меняется со сменой сезонов, но местное время или гражданское время может меняться, если юрисдикция часового пояса соблюдает летнее время. Например, местное время на восточном побережье Соединенных Штатов отстает от UTC на пять часов зимой, [23] но на четыре часа, когда там соблюдается летнее время. [24]
В 1928 году Международный астрономический союз ввел термин « всемирное время» ( UT ) для обозначения времени по Гринвичу, при этом день начинался в полночь. [25] До 1950-х годов сигналы вещательного времени основывались на всемирном времени (UT) и, следовательно, на вращении Земли.
В 1955 году были изобретены цезиевые атомные часы . Это обеспечило форму хронометража, которая была и более стабильной, и более удобной, чем астрономические наблюдения. В 1956 году Национальное бюро стандартов США и Военно-морская обсерватория США начали разрабатывать атомные частотные шкалы времени; к 1959 году эти шкалы времени использовались для генерации сигналов времени WWV , названных в честь коротковолновой радиостанции, которая их транслировала. В 1960 году Военно-морская обсерватория США, Королевская Гринвичская обсерватория и Национальная физическая лаборатория Великобритании координировали свои радиопередачи таким образом, чтобы временные шаги и изменения частоты были скоординированы, и полученная шкала времени была неофициально названа «Всемирным координированным временем». [26] [27]
В спорном решении частота сигналов изначально была установлена в соответствии со скоростью UT, но затем поддерживалась на той же частоте с помощью атомных часов и намеренно позволяла дрейфовать от UT. Когда расхождение значительно возросло, сигнал был сдвинут по фазе (шаг) на 20 мс , чтобы привести его в соответствие с UT. До 1960 года использовалось двадцать девять таких шагов. [28]
В 1958 году были опубликованы данные, связывающие частоту для перехода цезия , недавно установленную, с эфемеридной секундой . Эфемеридная секунда — это единица в системе времени, которая, при использовании в качестве независимой переменной в законах движения, управляющих движением планет и лун в солнечной системе, позволяет законам движения точно предсказывать наблюдаемые положения тел солнечной системы. В пределах наблюдаемой точности эфемеридные секунды имеют постоянную длину, как и атомные секунды. Эта публикация позволила выбрать значение для длины атомной секунды, которое соответствовало бы небесным законам движения. [29]
Координация передач времени и частоты по всему миру началась 1 января 1960 года. UTC было впервые официально принято в 1963 году в качестве Рекомендации 374 МККР «Передача стандартных частот и сигналов времени» , а «UTC» стало официальной аббревиатурой Всемирного координированного времени в 1967 году. [2]
В 1961 году Международное бюро времени начало координировать процесс UTC на международном уровне (но название Всемирное координированное время было официально принято Международным астрономическим союзом только в 1967 году). [30] [31] С тех пор временные шаги делались каждые несколько месяцев, а частота менялась в конце каждого года. Скачки увеличивались до 0,1 секунды. Это UTC было предназначено для обеспечения очень близкого приближения к UT2. [26]
В 1967 году секунда SI была переопределена в терминах частоты, обеспечиваемой цезиевыми атомными часами. Длина секунды, определенной таким образом, была практически равна секунде эфемеридного времени. [32] Это была частота, которая временно использовалась в TAI с 1958 года. Вскоре было решено, что наличие двух типов секунд с разной длиной, а именно секунды UTC и секунды SI, используемых в TAI, было плохой идеей. Считалось, что лучше для сигналов времени поддерживать постоянную частоту, и что эта частота должна соответствовать секунде SI. Таким образом, необходимо было бы полагаться только на временные шаги, чтобы поддерживать приближение UT. Это было опробовано экспериментально в службе, известной как «Stepped Atomic Time» (SAT), которая тикала с той же скоростью, что и TAI, и использовала скачки в 0,2 секунды, чтобы оставаться синхронизированной с UT2. [33]
Также было недовольство частыми скачками UTC (и SAT). В 1968 году Луис Эссен , изобретатель цезиевых атомных часов, и Г. М. Р. Винклер независимо друг от друга предложили, чтобы шаги составляли всего 1 секунду. [34] чтобы упростить будущие корректировки. Эта система была в конечном итоге одобрена как дополнительные секунды в новом UTC в 1970 году и внедрена в 1972 году вместе с идеей поддержания секунды UTC равной секунде TAI. Эта Рекомендация 460 МККР «заявляла, что (a) несущие частоты и временные интервалы должны поддерживаться постоянными и должны соответствовать определению секунды СИ ; (b) корректировки шага, когда это необходимо, должны составлять ровно 1 секунду для поддержания приблизительного соответствия со Всемирным временем (UT); и (c) стандартные сигналы должны содержать информацию о разнице между UTC и UT». [35]
В качестве промежуточного шага в конце 1971 года был последний нерегулярный скачок ровно на 0,107758 секунд TAI, что сделало сумму всех небольших временных шагов и частотных сдвигов в UTC или TAI в течение 1958–1971 годов ровно десятью секундами, так что 1 января 1972 года 00:00:00 UTC было ровно 1 января 1972 года 00:00:10 TAI , [36] и целое число секунд после этого. В то же время частота тика UTC была изменена, чтобы точно соответствовать TAI. UTC также начало отслеживать UT1, а не UT2. Некоторые сигналы времени начали транслировать поправку DUT1 (UT1 − UTC) для приложений, требующих более близкого приближения к UT1, чем UTC сейчас предоставляет. [37] [38]
Текущая версия UTC определена в Рекомендации Международного союза электросвязи (ITU-R TF.460-6) «Стандартные частоты и сигналы времени» [ 39] и основана на Международном атомном времени (TAI) с дополнительными секундами, добавляемыми через нерегулярные интервалы для компенсации накопленной разницы между TAI и временем, измеренным вращением Земли . [40] Дополнительные секунды вставляются по мере необходимости, чтобы поддерживать UTC в пределах 0,9 секунды от варианта UT1 всемирного времени . [41] Количество дополнительных секунд, вставленных на сегодняшний день, см. в разделе «Текущее количество дополнительных секунд».
Первая високосная секунда появилась 30 июня 1972 года. С тех пор високосные секунды появлялись в среднем раз в 19 месяцев, всегда 30 июня или 31 декабря. По состоянию на июль 2022 года [обновлять]было 27 високосных секунд в общей сложности, все положительные, что отстает от UTC на 37 секунд от TAI. [42]
Исследование, опубликованное в марте 2024 года в журнале Nature, пришло к выводу, что ускоренное таяние льда в Гренландии и Антарктиде из-за изменения климата привело к снижению скорости вращения Земли, что повлияло на корректировку UTC и вызвало проблемы для компьютерных сетей, которые полагаются на UTC. [43]
Скорость вращения Земли очень медленно уменьшается из-за приливного замедления ; это увеличивает продолжительность средних солнечных суток . Продолжительность секунды СИ была откалибрована на основе секунды эфемеридного времени [29] [32] и теперь можно увидеть, что она имеет связь со средними солнечными сутками, наблюдавшимися между 1750 и 1892 годами, проанализированными Саймоном Ньюкомбом . В результате секунда СИ близка к 1/86400 средних солнечных суток в середине 19 века. [44] В более ранние века средние солнечные сутки были короче 86 400 секунд СИ, а в более поздние века они длиннее 86 400 секунд. Ближе к концу 20 века продолжительность средних солнечных суток (также известная просто как «продолжительность дня» или «LOD») составляла приблизительно 86 400,0013 с. [45] По этой причине UT теперь «медленнее», чем TAI на разницу (или «избыток» LOD) в 1,3 мс/день.
Превышение LOD над номинальными 86 400 с накапливается со временем, в результате чего день UTC, изначально синхронизированный со средним солнцем, становится десинхронизированным и опережает его. Ближе к концу 20-го века, когда LOD был на 1,3 мс выше номинального значения, UTC шел быстрее UT на 1,3 мс в день, опережая на секунду примерно каждые 800 дней. Таким образом, високосные секунды были введены примерно с этим интервалом, замедляя UTC, чтобы поддерживать его синхронизацию в долгосрочной перспективе. [46] Фактический период вращения зависит от непредсказуемых факторов, таких как тектоническое движение , и его необходимо наблюдать, а не вычислять.
Так же, как добавление високосного дня каждые четыре года не означает, что год становится длиннее на один день каждые четыре года, введение високосной секунды каждые 800 дней не означает, что средние солнечные сутки становятся длиннее на секунду каждые 800 дней. Потребуется около 50 000 лет, чтобы средние солнечные сутки удлинились на одну секунду (со скоростью 2 мс в столетие). Эта скорость колеблется в диапазоне 1,7–2,3 мс/век. В то время как скорость, обусловленная только приливным трением , составляет около 2,3 мс/век, подъем Канады и Скандинавии на несколько метров со времени последнего ледникового периода временно снизил ее до 1,7 мс/век за последние 2700 лет. [47] Таким образом, правильной причиной введения високосных секунд является не текущая разница между фактическим и номинальным LOD, а скорее накопление этой разницы за определенный период времени: ближе к концу 20-го века эта разница составляла около 1/800 секунды в день; таким образом, примерно через 800 дней оно составило 1 секунду (и затем была добавлена дополнительная секунда).
На графике DUT1 выше превышение LOD над номинальными 86 400 с соответствует нисходящему наклону графика между вертикальными сегментами. (Наклон стал более пологим в 1980-х, 2000-х и в конце 2010-х и 2020-х годах из-за небольших ускорений вращения Земли, временно сокращающих день.) Вертикальное положение на графике соответствует накоплению этой разницы с течением времени, а вертикальные сегменты соответствуют дополнительным секундам, введенным для соответствия этой накопленной разнице. Дополнительные секунды рассчитаны так, чтобы удерживать DUT1 в вертикальном диапазоне, изображенном соседним графиком. Таким образом, частота дополнительных секунд соответствует наклону диагональных сегментов графика и, следовательно, избыточному LOD. Периоды времени, когда наклон меняет направление (наклон вверх, а не вертикальные сегменты), являются моментами, когда избыточный LOD отрицателен, то есть когда LOD ниже 86 400 с.
Поскольку вращение Земли продолжает замедляться, положительные секунды координации будут требоваться чаще. Долгосрочная скорость изменения LOD составляет приблизительно +1,7 мс за столетие. В конце 21-го века LOD будет составлять приблизительно 86 400,004 с, требуя секунды координации каждые 250 дней. В течение нескольких столетий частота секунд координации станет проблематичной. [48] Изменение тенденции значений UT1 – UTC было замечено, начиная с июня 2019 года, когда вместо замедления (с секундами координации, чтобы сохранить разницу между UT1 и UTC менее 0,9 секунды) вращение Земли ускорилось, что привело к увеличению этой разницы. Если тенденция сохранится, может потребоваться отрицательная секунда координации, которая ранее не использовалась. Это может не понадобиться до 2025 года. [49] [50]
В какой-то момент в 22-м веке потребуется вводить две дополнительные секунды каждый год. Текущая практика, когда вводятся дополнительные секунды только в июне и декабре, будет недостаточной для поддержания разницы менее 1 секунды, и может быть принято решение о введении дополнительных секунд в марте и сентябре. В 25-м веке, как прогнозируется, потребуется вводить четыре дополнительные секунды каждый год, поэтому текущих ежеквартальных вариантов будет недостаточно.
В апреле 2001 года Роб Симан из Национальной оптической астрономической обсерватории предложил разрешить добавлять дополнительные секунды ежемесячно, а не дважды в год. [51]
В 2022 году Генеральная конференция по мерам и весам приняла резолюцию о переопределении UTC и отмене дополнительных секунд, но сохранении постоянной гражданской секунды и ее равенстве секунде СИ, чтобы солнечные часы постепенно все больше и больше рассинхронизировались с гражданским временем. Дополнительные секунды будут устранены к 2035 году. Резолюция не разрывает связь между UTC и UT1, но увеличивает максимально допустимую разницу. Подробности того, какой будет максимальная разница и как будут реализованы исправления, оставлены для будущих обсуждений. [3] Это приведет к сдвигу движения солнца относительно гражданского времени, причем разница будет увеличиваться квадратично со временем (т. е. пропорционально квадрату прошедших столетий). Это аналогично сдвигу сезонов относительно годового календаря, который возникает из-за того, что календарный год не точно соответствует продолжительности тропического года . Это будет изменением в гражданском хронометрировании, и сначала будет иметь медленный эффект, но станет резким в течение нескольких столетий. UTC (и TAI) будут все больше и больше опережать UT; оно совпало бы с местным средним временем вдоль меридиана, дрейфующего на восток все быстрее и быстрее. [52] Таким образом, система времени потеряет свою фиксированную связь с географическими координатами, основанными на меридиане IERS . Разница между UTC и UT достигла бы 0,5 часа после 2600 года и 6,5 часов около 4600 года. [53]
Исследовательская группа 7 МСЭ-Р и Рабочая группа 7А не смогли достичь консенсуса по вопросу о том, следует ли выдвигать предложение на Ассамблею радиосвязи 2012 года; председатель Исследовательской группы 7 принял решение выдвинуть вопрос на Ассамблею радиосвязи 2012 года (20 января 2012 года) [54] , но рассмотрение предложения было отложено МСЭ до Всемирной конференции радиосвязи в 2015 году [55]. Эта конференция, в свою очередь, рассмотрела вопрос [56] , но постоянного решения принято не было; она лишь решила заняться дальнейшим изучением с целью повторного рассмотрения в 2023 году. [57] [ требуется обновление ]
Предлагаемой альтернативой високосной секунде является високосный час или високосная минута, которые требуют изменений только один раз в несколько столетий. [58]
Всемирная конференция радиосвязи МСЭ 2023 года (ВКР-23), которая проходила в Дубае (Объединенные Арабские Эмираты) с 20 ноября по 15 декабря 2023 года, официально признала Резолюцию 4 27-й ГКМВ (2022), в которой постановляется, что максимальное значение разницы (UT1-UTC) будет увеличено в 2035 году или ранее. [59]
