De rol van metrologische instituten bij tijdsbepaling

Transcriptie

1 De rol van metrologische instituten bij tijdsbepaling Erik Dierikx 16 oktober 2015 Nederlands Instituut voor Navigatie Symposium: "Time is of the essence"

2 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

3 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

4 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) :34:56 Pag. 4

5 Kalender Oscillator Keuze interval Teller 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

6 Lokale / middelbare zonnetijd Omstreek 1800 F 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

7 Sterrentijd (UT0) Rotatie van de aarde is nauwkeuriger te bepalen op basis van hemellichamen die verder van ons verwijderd zijn Pag. 7

8 UT1 UT1 is UT0 gecorrigeerd voor poolbeweging (precessie van de aardas) Pag. 8

9 Ephemeriden tijd (ET) 1956 Eerste officiële definitie van de seconde door de CGPM: 1 s = 1 / ,974 7 ste deel van het tropisch jaar 1900 Pag. 9

10 Atoomtijd Essen en Parry National Physical Laboratory 1953 NBS Cs Cs Pag. 10 Afwijking: ~ ±1 s per jaar ± Hz/Hz

11 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 CIPM -Comité International des Poids et Mesures This definition refers to a cesium atom at rest at a temperature of 0 K Pag. 11

12 Primaire frequentie standaard: Cesium fontein Afwijking: < 1 s per jaar < Hz/Hz NIST Cs fountain Duitsland Frankrijk Italië Verenigde staten Rusland China... Totaal ~10, maar niet continu operationeel. Pag. 12

13 Optische klokken: De toekomstige definitie van de seconde Sr, Yb, Al,... Hogere frequentie Nog stabieler ~10-17, NPL, UK Pag. 13 University of Tokyo

14 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

15 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 Cs- 133 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

16 ITU versus CGPM :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

17 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

18 Van klok tot UTC (1) TA(k) UTC(k) Realisatie van een lokale vrijlopende atoomtijdschaal TA(k) (voor frequentie) en een gestuurde tijdschaal UTC(k) (die een benadering is van de echte UTC) Cs-klokken + H-masers Pag.

19 Klok vergelijkingen Nationale Meetinstituten Observatoria Universiteiten Ruimtevaart organisaties 2015: 74 tijdlaboratoria Pag. 19 Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten (BIPM) verzamelt alle data en voert de verdere berekeningen uit.

20 Van klok tot UTC (2) UTC(k) TA(k) EAL Echelle Atomique Libre (EAL) een vrijlopende atoomtijdschaal, gebaseerd op een gewogen gemiddelde van circa 400 klokken. Dit is ons "vliegwiel" Cs-klokken + H-masers Pag. 20

21 Van klok tot UTC (3) TA(k) EAL TAI UTC(k) Vergelijking van het vliegwiel (EAL) tegen primaire frequentie standaarden geeft de afwijking van de frequentie van de EAL. Cs-klokken + H-masers EAL + correctie geeft de internationale atoomtijd (TAI) Pag. 21

22 Van klok tot UTC (4) TA(k) EAL TAI UTC UTC(k) Cs-klokken + H-masers IERS publiceert informatie over de rotatie van de aarde en geeft aan wanneer in UTC een schrikkelseconde moet wordeningevoerd. Pag. 22

23 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.

24 Pag. 24 Volkskrant, 29 juni 2015 Jan Rothuizen

25 VSL Thijsseweg JA Delft Postbus AR Delft T F E I info@vsl.nl Tijd voor koffie Hartelijk dank voor uw aandacht!