Standard czasu – specyfikacja służąca do pomiaru czasu, określająca tempo jego upływu, punkty w czasie albo oba te aspekty naraz. W praktyce standard czasu może definiować zarówno jednostki i odstępy czasu, jak i sposób wyznaczania chwili doby dla zastosowań cywilnych, naukowych i technicznych.
Standaryzowany pomiar czasu opiera się na zegarach zliczających kolejne okresy zjawiska okresowego, naturalnego albo sztucznego. Historycznie standardy czasu opierano przede wszystkim na ruchu obrotowym Ziemi, później na ruchu orbitalnym Ziemi, a współcześnie w większości zastosowań na zegarach atomowych.
Większość współczesnych skal czasu używa sekundy i doby jako podstawowych interwałów, a inne jednostki, takie jak minuty, godziny czy lata, definiuje się zwykle przez odniesienie do nich.
Terminologia Termin „czas” bywa używany dla kilku blisko związanych, ale odmiennych pojęć: chwila jako punkt na osi czasu; data jako oznaczenie przypisane chwili w ramach określonej skali czasu; jako wielkość może być wyrażana na różne sposoby, na przykład w formacie ISO 8601 albo w bardziej potocznym zapisie; przedział czasu jako fragment osi czasu ograniczony dwiema chwilami; trwanie lub czas trwania jako wielkość charakteryzująca dany przedział czasu; może być podawane jako liczba sekund, minut lub dni albo przez wskazanie początku i końca danego przedziału; chronologia jako uporządkowany ciąg zdarzeń w przeszłości; z nią wiążą się także periodyzacja i badanie dziejów.
Definicje sekundy W historii stosowano trzy podstawowe definicje sekundy: jako ułamek doby, jako ułamek ekstrapolowanego roku zwrotnikowego oraz jako częstotliwość promieniowania odpowiadającego przejściu w atomie cezu-133.
W epoce przednowoczesnej dokładność zegarów nie pozwalała na wiarygodne śledzenie sekund. Po rozpowszechnieniu zegarów mechanicznych sekundę definiowano jako 1/86 400 średniej doby słonecznej. Taka definicja została przejęta także przez systemy jednostek CGS i MKS, a następnie międzynarodowo utrwalona w połowie XX wieku.
W latach 40. XX wieku zegary kwarcowe umożliwiły pomiar czasu dokładniejszy niż obserwacje obrotu Ziemi. Jednocześnie stało się jasne, że obrót Ziemi nie jest idealnie jednostajny, dlatego dla potrzeb astronomii wprowadzono czas efemerydalny, oparty na ruchu orbitalnym Ziemi, a sekundę efemerydalną zdefiniowano jako 1/31 556 925,9747 roku zwrotnikowego dla epoki 1900-01-00 12:00 czasu efemerydalnego.
Od 1967 roku sekunda SI jest definiowana jako dokładnie „czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu-133”, w warunkach odniesienia określonych przez SI. Sekunda SI stanowi podstawę współczesnych atomowych skal czasu, w tym TAI, UTC i czasu GPS.
Współczesne standardy czasu W praktyce naukowej i technicznej używa się dziś kilku powiązanych ze sobą skal czasu, z których każda ma nieco inny cel i sposób realizacji.
Geocentryczny czas współrzędnych (TCG) jest relatywistyczną skalą współrzędną o początku w środku masy Ziemi. Ma ona charakter teoretyczny, więc każda praktyczna realizacja tej skali obarczona jest pewnym błędem pomiaru.
Międzynarodowy czas atomowy (TAI) jest podstawowym fizycznie realizowanym standardem czasu. Tworzy go Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) na podstawie uśrednionych wskazań wielu zegarów atomowych działających na całym świecie, po uwzględnieniu poprawek środowiskowych i relatywistycznych. W sensie praktycznym TAI stanowi realizację czasu ziemskiego (TT), a nie bezpośrednio TCG.
UT1 jest skalą opartą na kącie obrotu Ziemi, liniowo przeskalowaną tak, aby zachować ciągłość historycznych definicji średniego czasu słonecznego na południku 0°. Przy dużej dokładności obrót Ziemi okazuje się nieregularny, dlatego UT1 wyznacza się dziś na podstawie obserwacji geodezyjnych i astronomicznych, w tym interferometrii wielkobazowej, laserowych pomiarów odległości do Księżyca i sztucznych satelitów oraz orbit satelitów GPS; relację z UTC publikuje Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia (IERS).
Uniwersalny czas koordynowany (UTC) jest atomową skalą czasu zaprojektowaną tak, by przybliżała UT1. UTC różni się od TAI o całkowitą liczbę sekund i jest utrzymywana w granicy 0,9 sekundy od UT1 dzięki wstawianiu sekund przestępnych. W Polsce fizyczną realizację UTC oznacza się jako UTC(PL); utrzymuje ją Główny Urząd Miar, który wyznacza także czas urzędowy RP.
Czas GPS (GPST) jest niezależnie utrzymywaną atomową skalą czasu używaną przez Global Positioning System. System GPS rozsyła na całym świecie bardzo dokładne wzorce czasu, wraz z danymi potrzebnymi do przeliczenia GPST na UTC. Samą skalę zdefiniowano ze stałym przesunięciem względem TAI: GPST = TAI – 19 s. W praktyce system GPS regularnie synchronizuje się z UTC, ale nie stosuje sekund przestępnych.
Czas ziemski (TT) jest teoretyczną, jednostajną skalą czasu przeznaczoną przede wszystkim do zastosowań astronomicznych w pobliżu Ziemi. W ujęciu relatywistycznym stanowi przeskalowaną postać TCG tak dobraną, by jej tempo dobrze przybliżało czas własny na poziomie średniego poziomu morza. Pozostaje też związana z TAI relacją TT = TAI + 32,184 s.
Czas urzędowy lub czas cywilny w danej strefie czasowej odbiega o stałą, zwykle całogodzinną wartość od wybranej postaci czasu uniwersalnego, najczęściej UTC. Przesunięcie dobiera się tak, aby początek nowej doby przypadał w przybliżeniu wtedy, gdy Słońce znajduje się w pobliżu dolnej kulminacji. W wielu państwach różnica ta nie jest w pełni stała, ponieważ zmienia się sezonowo, zwykle o godzinę, w ramach czasu letniego.
Dzień juliański i zmodyfikowany dzień juliański są wygodnymi standardami numeracji dni używanymi zwłaszcza w astronomii. Dzień juliański liczy dni od południa w Greenwich 1 stycznia 4713 p.n.e. według proleptycznego kalendarza juliańskiego, zaś zmodyfikowany dzień juliański definiuje się jako MJD = JD – 2400000,5, dzięki czemu jego doba zaczyna się o północy. Dokładny zapis powinien wskazywać, do jakiej skali czasu odnosi się część ułamkowa danej daty, na przykład UT1, TAI albo TT.
Barycentryczny czas współrzędnych (TCB) jest skalą współrzędną o początku w środku masy Układu Słonecznego, czyli w barycentrum. Używa się jej zwłaszcza w relatywistycznej astronomii pozycyjnej i w obliczeniach efemeryd.
Zależności między wybranymi skalami Przeliczenia między atomowymi skalami czasu, takimi jak TAI, GPST i UTC, są w większości dokładne. Natomiast przeliczenia obejmujące UT1 lub TT wymagają korzystania z publikowanych tablic różnic, takich jak DUT1 i TT(BIPM); publikacje te podają poprawki z dokładnością odpowiednio do około 10 mikrosekund i 0,1 nanosekundy. Czas GPS jest przy tym skalą mierzoną i utrzymywaną operacyjnie, a nie wyłącznie abstrakcyjną skalą obliczeniową, dlatego może nieznacznie różnić się od UTC(USNO), a UTC(USNO) od oficjalnego UTC.
System Opis UT1 UTC TT TAI GPS UT1 średni czas słoneczny UT1 UTC = UT1 – DUT1 TT = UT1 – DUT1 + LS + 32,184 s + DTT TAI = UT1 – DUT1 + LS GPS = UT1 – DUT1 + LS – 19 s UTC czas cywilny UT1 = UTC + DUT1 UTC TT = UTC + LS + 32,184 s + DTT TAI = UTC + LS GPS = UTC + LS – 19 s TT czas ziemski UT1 = TT – 32,184 s – DTT – LS + DUT1 UTC = TT – 32,184 s – DTT – LS TT TAI = TT – 32,184 s – DTT GPS = TT – 51,184 s – DTT TAI czas atomowy UT1 = TAI – LS + DUT1 UTC = TAI – LS TT = TAI + 32,184 s + DTT TAI GPS = TAI – 19 s GPST czas GPS UT1 = GPS + 19 s – LS + DUT1 UTC = GPS + 19 s – LS TT = GPS + 51,184 s + DTT TAI = GPS + 19 s GPS
Definicje: LS = TAI – UTC, czyli łączna liczba sekund przestępnych. DUT1 = UT1 – UTC, publikowane w biuletynach IERS lub przez U.S. Naval Observatory. DTT = TT – TAI – 32,184 s, publikowane w tablicach TT(BIPM).
Standardy czasu oparte na obrocie Ziemi Czas słoneczny prawdziwy opiera się na długości dnia słonecznego, czyli odstępie między dwoma kolejnymi górowaniami rzeczywistego Słońca. Ponieważ orbita Ziemi jest eliptyczna, a oś obrotu nachylona względem ekliptyki, długość prawdziwej doby słonecznej zmienia się w ciągu roku o kilkadziesiąt sekund względem średniej doby, a skumulowana różnica między czasem słonecznym prawdziwym i średnim może w ciągu kilku tygodni sięgać około 16 minut. Różnice te opisuje równanie czasu, a dodatkowe zaburzenia, takie jak chwianie się osi Ziemi, dają zwykle znacznie mniejsze efekty.
Czas gwiazdowy mierzy obrót Ziemi względem odległych gwiazd. Doba gwiazdowa trwa około 23 h 56 min 4 s, a więc jest krótsza od średniej doby słonecznej o około 3 min 56 s. W astronomii czas gwiazdowy długo pozostawał wygodnym narzędziem do przewidywania górowania obiektów na niebie. W praktyce obserwacyjnej był też wygodniejszy od obserwacji Słońca przy wyznaczaniu średniego czasu słonecznego, bo pozycje „gwiazd zegarowych” dawały się mierzyć dokładniej i łatwiej redukować do wspólnego układu. Dawniej należało to do rutynowej pracy obserwatoriów, dziś lokalny czas gwiazdowy wyznacza się zwykle komputerowo na podstawie sygnałów czasu.
Średni czas słoneczny był przez długi czas standardem nawigacyjnym i astronomicznym, zwłaszcza w żegludze. Wyznaczano go przez obserwację czasu słonecznego prawdziwego z poprawką zwaną równaniem czasu, kompensującą dwie główne nieregularności długości dnia, wynikające z eliptyczności orbity Ziemi oraz nachylenia osi obrotu względem ekliptyki. Został on zastąpiony przez czas uniwersalny.
(GMT) było historycznie średnim czasem wyznaczanym z obserwacji południkowych w Królewskim Obserwatorium w Greenwich. Południk tego obserwatorium został w 1884 roku uznany za południk zerowy, a samo GMT przez pewien czas pełniło funkcję międzynarodowego standardu czasu. W 1928 roku nazwę tę oficjalnie zastąpiono określeniem „czas uniwersalny” (UT), częściowo dlatego, że wcześniej astronomiczna doba zaczynała się w południe, a od 1925 roku zaczęto liczyć ją od północy. W sensie praktycznym UT1 nadal odpowiada średniemu czasowi Greenwich, natomiast we współczesnym użyciu potocznym skrót GMT bywa odnoszony do UTC albo do zimowego czasu urzędowego w Wielkiej Brytanii.
Dawne odmiany czasu uniwersalnego, takie jak UT0 i UT2, zostały zdefiniowane dla szczególnych zastosowań, lecz obecnie uznaje się je za przestarzałe.
Standardy czasu do obliczeń ruchu planet Czas efemerydalny (ET) i jego następcy zostały opracowane na potrzeby astronomii obliczeniowej i teorii ruchu planet. Celem było uzyskanie skali bardziej jednostajnej niż standardy oparte na obrocie Ziemi. Były to przykłady dynamicznych skal czasu i, w późniejszym rozwoju, relatywistycznych skal współrzędnych.
ET był w latach 1952–1976 oficjalnym standardem czasu Międzynarodowej Unii Astronomicznej. Opierał się na ruchu orbitalnym Ziemi wokół Słońca, z którego wyprowadzono sekundę efemerydalną jako określony ułamek roku zwrotnikowego. Ta sekunda była z kolei wzorcem dla sekundy SI w latach 1956–1967 i służyła do kalibracji pierwszych zegarów atomowych opartych na cezie. Standard ET był jednak nierelatywistyczny i z czasem przestał wystarczać potrzebom nowoczesnej astronomii pozycyjnej.
Oficjalnym następcą ET dla zastosowań blisko powierzchni Ziemi stał się najpierw ziemski czas dynamiczny (TDT), a następnie czas ziemski (TT), który zachował ciągłość z ET przez stałe przesunięcie względem TAI o 32,184 sekundy. TDT, a potem TT, zachowywały jednostajny bieg i były powiązane szybkością z sekundą SI, ale jednocześnie przesunięte względem TAI właśnie o tę stałą poprawkę.