De rol van metrologische instituten bij tijdsbepaling

De rol van metrologische
instituten bij tijdsbepaling
Erik Dierikx
16 oktober 2015
Symposium: "Time is of the essence"
Nederlands
Instituut voor
Navigatie
Inhoud
Wat is tijd
Basis principes
Geschiedenis
Definities: s, UT0, UT1, TAI, UTC
Hoe wordt de tijd gemaakt
klokken
klokkenvergelijkingen
EAL, TAI, UTC
Pag. 2
Wat is tijd?
• "Tijd is wat de klok aangeeft",
(Einstein)
• Wat is dus de tijd?
Wanneer niemand het me vraagt, weet ik het;
wil ik het echter uitleggen aan iemand die het me vraagt, dan
weet ik het niet.
(Aurelius Augustinus, Confessiones 400 na Chr.)
• "Tijd" is er altijd; loopt continu door; valt niet te manipuleren.
• "Tijdwaarneming" is door mensen bedacht; is relatief; kan
gemanipuleerd worden; kan discontinuïteiten bevatten.
Pag. 3
Basis van tijdwaarneming
• Periodiek verschijnsel (Oscillator)
− Slinger beweging
− Rotatie van de aarde om zijn as
− Baan van aarde om de zon
− Trilling van een kristal
− De elektromagnetische straling die overeenkomt met de
transitie tussen twee hyperfijn niveaus van de
grondtoestand van het cesium 133 atoom, in rust, bij een
temperatuur van 0 K.
• Tel mechanisme (Teller)
1234567890
Pag. 4
2015-10-16 12:34:56
Kalender
• Oscillator
• Teller


Keuze interval
Keuze startpunt van de teller
• Gregoriaanse kalender
jaar + dag teller met startpunt de geboorte van Christus
• Modified Julian Date (dag teller): 18 november 1858
• NTP (seconde teller): 1 januari 1970
Pag. 5
Lokale / middelbare zonnetijd
Omstreek 1800
F
360°
365.25
Officieuse definitie: 1 seconde = 1/86400 ste deel van een middelbare zonnedag
1884: Universele dag: middelbare zonnedag van middernacht tot middernacht
Pag. 6
1 dag ≠ 1 omwenteling van de aarde om zijn as
Sterrentijd (UT0)
Rotatie van de aarde is nauwkeuriger te bepalen op basis van
hemellichamen die verder van ons verwijderd zijn
Pag. 7
UT1
UT1 is UT0 gecorrigeerd voor poolbeweging (precessie van de aardas)
Pag. 8
Ephemeriden tijd (ET)
1956
Eerste officiële definitie van de seconde door de CGPM:
1 s = 1 / 31 556 925,974 7 ste deel van het tropisch jaar 1900
Pag. 9
Atoomtijd
• Essen en Parry National Physical Laboratory 1953
• NBS
Cs
Cs
Pag. 10
Afwijking:
~ ±1 s per 300 000 jaar
± 1×10-13 Hz/Hz
Definitie van de "atoom" seconde
• 1967 CGPM -Conférence Générale des Poids et Mesures:
“The second is the duration of 9,192,631,770 periods of the
radiation corresponding to the transition between the two
hyperfine levels of the ground state of the cesium 133 atom.”
• 1997 CIPM -Comité International des Poids et Mesures
“This definition refers to a cesium atom at rest at a
temperature of 0 K
Pag. 11
Primaire frequentie standaard:
Cesium fontein
Afwijking:
< 1 s per 30 000 000 jaar
< 1×10-15 Hz/Hz
NIST Cs fountain
Pag. 12
Duitsland
Frankrijk
Italië
Verenigde staten
Rusland
China
...
Totaal ~10,
maar niet continu
operationeel.
Optische klokken: De toekomstige
definitie van de seconde
•
•
•
•
Sr, Yb, Al, ...
Hogere frequentie
Nog stabieler
~10-17, 10-18
NPL, UK
Pag. 13
University of Tokyo
Van oscillator naar tijdschaal
• 1919: Bureau International de l'Heure (BIH) coördineert de
uitzending van radio tijdsignalen.
• Eenduidige gecoördineerde tijdschaal "UT"
o.a. voor scheepvaart navigatie
Pag. 14
Internationale atoomtijdschaal
TAI
• 1961: Tijd vergelijk van atoomklokken via radiozenders
BIH berekent de eerste UT op basis van atoomseconden.
• 1962: CCIR (later ITU) aanbeveling om de gecoördineerde
universele tijd (UTC) te baseren op de atoomtijd.
• 1967/1968: Definitie van de seconde gebaseerd op het Cs133 atoom.
• 1971: Definitie van TAI door CGPM
The international reference scale of atomic time (TAI),
based on the second (SI), as realized on the rotating geoid,
is formed by the BIPM on the basis of clock data supplied
by cooperating establishments. It is in the form of a
continuous scale, e.g. in days, hours, minutes and seconds
from the origin 1 January 1958 (adopted by the CGPM
1971).
Pag. 15
ITU versus CGPM
2015-10-16 12:34:56
• De definitie van UTC is gerelateerd aan uitzending
van radiosignalen, en wordt daarom geregeld door
de Internationale Telecom Unie (ITU).
• De definitie van de seconde is gerelateerd aan SI
eenheden en wordt daarom geregeld door de
internationale gemeenschap voor maten en
gewichten (CGPM), met advies van de CCTF
(Consultative Committee for Time and Frequency).
Pag. 16
De huidige UTC
• 1972: Coordinated universal time (UTC)
UTC is the time-scale maintained by the BIPM, with
assistance from the IERS, which forms the basis of a
coordinated dissemination of standard frequencies and
time signals. It corresponds exactly in rate with TAI but
differs from it by an integer number of seconds.
The UTC scale is adjusted by the insertion or deletion of
seconds (positive or negative leapseconds) to ensure
approximate agreement with UT1.
Pag. 17
Van klok tot UTC (1)
TA(k)
Realisatie van een lokale
vrijlopende atoomtijdschaal TA(k)
(voor frequentie)
UTC(k)
en een gestuurde tijdschaal UTC(k)
(die een benadering is van de echte UTC)
Cs-klokken
+
H-masers
Pag.
Klok vergelijkingen
Nationale Meetinstituten
Observatoria
Universiteiten
Ruimtevaart organisaties
2015: 74 tijdlaboratoria
Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten
(BIPM) verzamelt alle data en voert de verdere
berekeningen uit.
Pag. 19
Van klok tot UTC (2)
TA(k)
EAL
Echelle Atomique Libre (EAL)
een vrijlopende atoomtijdschaal,
gebaseerd op een
gewogen gemiddelde
van circa 400 klokken.
UTC(k)
Dit is ons "vliegwiel"
Cs-klokken
+
H-masers
Pag. 20
Van klok tot UTC (3)
TA(k)
EAL
TAI
Vergelijking van het vliegwiel
(EAL) tegen primaire
frequentie standaarden
geeft de afwijking
van de frequentie
van de EAL.
UTC(k)
EAL + correctie
geeft de internationale
atoomtijd (TAI)
Cs-klokken
+
H-masers
Pag. 21
Van klok tot UTC (4)
TA(k)
EAL
TAI
UTC
UTC(k)
IERS publiceert
informatie over de
rotatie van de aarde
en geeft aan wanneer
in UTC een schrikkelseconde
moet wordeningevoerd.
Cs-klokken
+
H-masers
Pag. 22
Van klok tot UTC (5)
TA(k)
EAL
TAI
UTC
UTC(k)
Cs-klokken
+
H-masers
Pag. 23
BIPM rapporteert
terug aan de
laboratoria hoeveel de
lokale realisatie
UTC(k) afwijkt van
UTC, zodat de labs
hun UTC(k) kunnen
bijsturen.
Pag. 24
Volkskrant, 29 juni 2015
Jan Rothuizen
VSL
Thijsseweg 11
2629 JA Delft
Postbus 654
2600 AR Delft
T
F
E
I
015 269 15 00
015 261 29 71
[email protected]
www.vsl.nl
Tijd voor koffie
Hartelijk dank voor uw aandacht!