Zeitmessung: Silvester mit Schaltsekunde

Eine Sekunde ist der vierundachtzigtausendsechshundertste Teil eines Tages (1d = 24 x 60 x 60 s). Diese willkürliche Definition geht im Wesentlichen auf die Babylonier im Zweistromland zurück: Sie verwendeten zum Zählen das Sexagesimalsystem (60 als Basis, entsprechend der 10 im Dezimalsystem) und teilten die Stunde in 60 mal 60 gleiche Teile, also in Minuten und Sekunden.

Allerdings hatte ihr Tag (einschließlich der Nacht) nur sechs "Stunden", die folglich viermal so lang waren wie unsere heutige Stunde.

Wahre und mittlere Zeit

Die Ägypter teilten den lichten Tag und die Nacht in jeweils zwölf gleiche Teile, die Temporalstunden, die entsprechend der unterschiedlichen Tageslänge im Wechsel der Jahreszeiten unterschiedlich lang waren. Auf dem Weg über die alten Griechen und Römer wurde diese Zeiteinteilung auch im mittelalterlichen Abendland üblich. Als im 14. Jahrhundert die Räderuhren mit Schlagwerk aufkamen und die Stunden von den Kirchtürmen läuteten, traten an die Stelle der Temporalstunden allmählich die Äquinoktioalstunden, die der Stundenlänge an den Tagen der Tagundnachtgleiche (Äquinoktien) entsprechen und nun auf alle anderen Kalendertage übertragen wurden.

Doch bei genauer Beobachtung sind auch die Äquinoktioalstunden nicht genau gleich lang: Die Neigung der Erdachse (bzw. Schiefe der Ekliptik) und die Ellipsenform der Erdbahn bewirken, dass ein Kalendertag nicht genau 24 h lang, sondern um bis zu einer halben Minute länger oder kürzer ist. Seitdem unsere Uhren die "mittlere Zeit", eine über das Jahr gemittelte Tageslänge angeben, sind Sonnenaufgang, -höchststand und -untergang gegenüber der "wahren Zeit" um bis zu 16 Minuten verschoben. (Diese Abweichung, die sich auch auf die Zeitangabe der Sonnenuhren auswirkt, wird durch die Zeitgleichung ausgeglichen.)
 

Kleinere Störungen

Noch viel geringer sind andere Anomalitäten der Zeit. Die sich aus dem Wechsel von Ebbe und Flut ergebende Gezeitenreibung oder Tidenbeschleunigung bremst die Rotationsgeschwindigkeit der Erde; so hatte das Erdenjahr beispielsweise vor 400 Millionen Jahren noch 400 Tage. Ferner sorgt u. a. die Massenverlagerung im Erdinneren dafür, dass die Drehgeschwindigkeit der Erde geringfügig schwankt.

Hinzu kommen singuläre Störungen wie das Seebeben im Golf von Bengalen, dem vor einem Jahr so viele Menschen zum Opfer fielen; es hat die Erdachse um einige Zentimeter verschoben und die Rotation der Erde um wenige Mikrosekunden beschleunigt. Auch eine Beschleunigung der großen Windsysteme im Zuge der Erderwärmung könnte Einfluss nehmen. Da sie vorzugsweise von West nach Ost blasen, also in Richtung der Erdrotation, müssten sie nach dem Gesetz der Impulserhaltung die Erddrehgeschwindigkeit verlangsamen.

Ephemeridenzeit

Als Adolf Scheibe und Udo Adelsberger 1934 an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin, dem Vorläufer der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB), die erste Quarzuhr konstruierten, konnten sie bereits eine jahreszeitliche Schwankung der Erdrotation nachweisen. Um bei der Zeitmessung von diesen Schwankungen unabhängig zu sein, führte man 1956 ein absolut gleichmäßiges Zeitmaß ein: die Ephemeridenzeit.

Im Jahr 1956 definierte das Internationale Komitee für Maß und Gewicht in Paris (BIPM) die Sekunde der Ephemeridenzeit als den 31.556.925,9747ten Teil des tropischen Jahres, das am 1. Januar 1900 um 12.00 Uhr begann. Das tropische Jahr ist die Zeitdauer zwischen zwei Durchgängen der Sonne durch den mittleren Frühlingspunkt (Frühlings-Äquinoktium) und etwa 365 Tagen, 5 Stunden, 48 Minuten und 46 Sekunden lang. Da auch die Dauer des tropischen Jahres schwankt, musste man bei der Definition der Sekunde auf ein bestimmtes Jahr Bezug nehmen. Eine Formel zur Berechnung der Dauer einzelner tropischer Jahre hatte der Brite Simon Newcomb bereits 1895 aufgestellt.

In der Praxis sollte die genaue Zeit mit Hilfe der Mondposition ermittelt werden. Aufgrund langfristiger Beobachtungen verwendete man den Mondumlauf als "kalibriertes sekundäres Normal". Doch auch diese Messgrundlage erwies sich wegen Mängeln in der Theorie der Mondbewegung als ungenau. Zudem dauert der mittlere Sonnentag fast 3 Millisekunden länger als 86.400 Ephemeridensekunden.