Estándar de tiempo

Un estándar de tiempo es una especificación para medir el tiempo: ya sea la velocidad a la que pasa el tiempo o puntos en el tiempo o ambos. En los tiempos modernos, varias especificaciones de tiempo han sido reconocidas oficialmente como estándares, donde antes eran cuestiones de costumbre y práctica. Un ejemplo de un tipo de estándar de tiempo puede ser una escala de tiempo, que especifica un método para medir las divisiones de tiempo. Un estándar para el tiempo civil puede especificar tanto los intervalos de tiempo como la hora del día.

Las medidas de tiempo estandarizadas se realizan utilizando un reloj para contar períodos de algunos cambios de período, que pueden ser los cambios de un fenómeno natural o de una máquina artificial.

Históricamente, los estándares de tiempo a menudo se basaban en el período de rotación de la Tierra. Desde finales del siglo XVIII hasta el siglo XIX, se asumió que la tasa de rotación diaria de la Tierra era constante. Las observaciones astronómicas de varios tipos, incluidos los registros de eclipses, estudiadas en el siglo XIX, generaron sospechas de que la velocidad a la que gira la Tierra se está desacelerando gradualmente y también muestra irregularidades a pequeña escala, y esto se confirmó a principios del siglo XX. Los estándares de tiempo basados en la rotación de la Tierra fueron reemplazados (o inicialmente complementados) para uso astronómico a partir de 1952 por un estándar de tiempo de efemérides basado en el período orbital de la Tierra y, en la práctica, en el movimiento de la Luna.. La invención en 1955 del reloj atómico de cesio ha llevado a la sustitución de los estándares de tiempo más antiguos y puramente astronómicos, para la mayoría de los propósitos prácticos, por estándares de tiempo más nuevos basados total o parcialmente en el tiempo atómico.

Se utilizan varios tipos de segundos y días como intervalo de tiempo básico para la mayoría de las escalas de tiempo. Otros intervalos de tiempo (minutos, horas y años) generalmente se definen en términos de estos dos.

Terminología

El término "tiempo" se usa generalmente para muchos conceptos cercanos pero diferentes, que incluyen:

• instantánea como objeto – un punto en los ejes del tiempo. Siendo objeto, no tiene valor;
  • fecha como cantidad caracterizando un instante. Como cantidad, tiene un valor que se puede expresar de varias maneras, por ejemplo "2014-04-26T09:42:36,75" en formato estándar ISO, o más coloquialmente como "hoy, 9:42 a.m.";
• intervalo de tiempo como objeto – parte de los ejes de tiempo limitado por dos instantes. Siendo objeto, no tiene valor;
  • duración como cantidad caracterizando un intervalo de tiempo. Como cantidad, tiene un valor, como un número de minutos, o puede describirse en términos de las cantidades (como tiempos y fechas) de su principio y fin.
• cronología, una secuencia ordenada de eventos en el pasado. Las cronologías se pueden poner en grupos cronológicos (periodización). Uno de los sistemas más importantes de la periodización es la escala geológica del tiempo, que es un sistema de períodoización de los acontecimientos que formaron la Tierra y su vida. La cronología, la periodización e interpretación del pasado se conocen juntos como el estudio de la historia.

Definiciones de la segunda

Solo ha habido tres definiciones del segundo: como una fracción del día, como una fracción de un año extrapolado y como la frecuencia de microondas de un reloj atómico de cesio.

En la historia temprana, los relojes no eran lo suficientemente precisos para medir los segundos. Después de la invención de los relojes mecánicos, el sistema CGS y el sistema de unidades MKS definieron el segundo como 1⁄86.400 de un día solar medio. MKS fue adoptado internacionalmente durante la década de 1940.

A fines de la década de 1940, los relojes osciladores de cristal de cuarzo podían medir el tiempo con mayor precisión que la rotación de la Tierra. Los metrólogos también sabían que la órbita de la Tierra alrededor del Sol (un año) era mucho más estable que la rotación de la Tierra. Esto condujo a la definición de tiempo de efemérides y año tropical, y el segundo de efemérides se definió como "la fracción 1⁄31,556,925.9747 del año tropical para el 0 de enero de 1900 a las 12 horas tiempo de efemérides". Esta definición fue adoptada como parte del Sistema Internacional de Unidades en 1960.

Más recientemente, se han desarrollado relojes atómicos que ofrecen una precisión mejorada. Desde 1967, la unidad base del SI para el tiempo es el segundo SI, definido exactamente como "la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133" (a una temperatura de 0 K y al nivel medio del mar). El segundo SI es la base de todas las escalas de tiempo atómicas, p. hora universal coordinada, hora GPS, hora atómica internacional, etc.

Estándares de tiempo actuales

El tiempo de coordenadas geocéntricas (TCG) es un tiempo de coordenadas que tiene su origen espacial en el centro de la masa de la Tierra. TCG es un ideal teórico, y cualquier realización particular tendrá un error de medición.

El tiempo atómico internacional (TAI) es el principal estándar de tiempo realizado físicamente. TAI es producido por la BIPM (Oficina Internacional de Pesos y Medidas), y se basa en la entrada combinada de muchos relojes atómicos en todo el mundo, cada uno corregido por efectos ambientales y relativistas (tanto gravitacionales como de velocidad, como en GNSS). TAI no está directamente relacionado con TCG, sino que es una realización del Tiempo Terrestre (TT), una escala de tiempo teórica que es una reescala de TCG de modo que la tasa de tiempo coincida aproximadamente con el tiempo adecuado al nivel medio del mar.

Tiempo universal (UT1) es el ángulo de rotación de la Tierra (ERA) escalado linealmente para coincidir con las definiciones históricas del tiempo solar medio en 0° de longitud. Con alta precisión, la rotación de la Tierra es irregular y se determina a partir de las posiciones de los cuásares distantes utilizando interferometría de línea de base larga, medición láser de la Luna y satélites artificiales, así como órbitas de satélites GPS.

El tiempo universal coordinado (UTC) es una escala de tiempo atómico diseñada para aproximarse al tiempo universal. UTC difiere de TAI por un número entero de segundos. UTC se mantiene dentro de los 0,9 segundos de UT1 mediante la introducción de pasos de un segundo a UTC, el "segundo bisiesto". Hasta la fecha, estos pasos (y la diferencia "TAI-UTC") siempre han sido positivos.

El Sistema de posicionamiento global transmite una señal horaria muy precisa en todo el mundo, junto con instrucciones para convertir la hora GPS a UTC. Esta señal de tiempo GPS es un estándar de tiempo realizado físicamente basado en, y sincronizado regularmente con o desde, el tiempo UTC.

La hora estándar o la hora civil en una zona horaria se desvía una cantidad redonda fija, generalmente un número entero de horas, de alguna forma de hora universal, generalmente UTC. El desplazamiento se elige de manera que un nuevo día comience aproximadamente mientras el Sol cruza el meridiano nadir. Alternativamente, la diferencia no es realmente fija, pero cambia dos veces al año una cantidad redonda, generalmente una hora, consulte Horario de verano.

El número de día juliano es la cuenta de los días transcurridos desde el mediodía de Greenwich del 1 de enero de 4713 a. C., calendario proléptico juliano. La fecha juliana es el número del día juliano seguido de la fracción del día transcurrido desde el mediodía anterior. Convenientemente para los astrónomos, esto evita el salto de fecha durante una noche de observación. El día juliano modificado (MJD) se define como MJD = JD - 2400000,5. Un día MJD comienza así a la medianoche, fecha civil. Las fechas julianas se pueden expresar en UT1, TAI, TT, etc., por lo que para aplicaciones precisas se debe especificar la escala de tiempo, p. MJD 49135.3824 TAI.

El tiempo de coordenadas baricéntricas (TCB) es un tiempo de coordenadas que tiene su origen espacial en el centro de masa del Sistema Solar, que se denomina baricentro.

Conversiones

Las conversiones entre sistemas de tiempo atómico (TAI, GPS y UTC) son en su mayor parte exactas. Sin embargo, el tiempo de GPS es un valor medido en lugar de un "papel" calculado. escala. Como tal, puede diferir del UTC (USNO) en unos pocos cientos de nanosegundos, lo que a su vez puede diferir del UTC oficial en hasta 26 nanosegundos. Las conversiones para UT1 y TT se basan en tablas de diferencias publicadas que, a partir de 2022, se especifican en 10 microsegundos y 0,1 nanosegundos, respectivamente.

Definiciones:

1. LS = TAI – UTC = segundo paso de USNO Tabla de segundos de salto
2. DUT1 = UT1 – UTC publicado en IERS Bulletins o U.S. Naval Observatory EO
3. DTT = TT - TAI - 32.184 s publicado en las tablas TT(BIPM) de BIPM.

TCG está relacionado linealmente con TT como: TCG - TT = L_G * (JD -2443144.5) * 86400 segundos, con la diferencia de escala L_G definido exactamente como 6.969290134e-10.

TCB es una transformación lineal de TDB y TDB difiere de TT en términos pequeños, en su mayoría periódicos. Despreciando estos términos (del orden de 2 milisegundos durante varios milenios alrededor de la época actual), TCB se relaciona con TT por: TCB - TT = L_B * (JD - 2443144.5) * 86400 segundos. La IAU ha definido que la diferencia de escala L_B es 1,550519768e-08 exactamente.

Estándares de tiempo basados en la rotación de la Tierra

El tiempo solar aparente o tiempo solar verdadero se basa en el día solar, que es el período entre un mediodía solar (paso del Sol real por el meridiano) y el siguiente. Un día solar tiene aproximadamente 24 horas de tiempo medio. Debido a que la órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica y a la oblicuidad del eje de la Tierra con respecto al plano de la órbita (la eclíptica), el día solar aparente varía unas pocas decenas de segundos por encima o por debajo del valor medio de 24 horas. A medida que la variación se acumula durante unas pocas semanas, existen diferencias de hasta 16 minutos entre el tiempo solar aparente y el tiempo solar medio (ver Ecuación del tiempo). Sin embargo, estas variaciones se anulan a lo largo de un año. También hay otras perturbaciones como el bamboleo de la Tierra, pero estas son de menos de un segundo por año.

El tiempo sideral es el tiempo de las estrellas. Una rotación sideral es el tiempo que tarda la Tierra en hacer una revolución con la rotación a las estrellas, aproximadamente 23 horas 56 minutos 4 segundos. Un día solar medio es aproximadamente 3 minutos y 56 segundos más largo que un día sideral medio, o 1⁄366 más que un medio día sideral. En astronomía, el tiempo sideral se usa para predecir cuándo una estrella alcanzará su punto más alto en el cielo. Para un trabajo astronómico preciso en tierra, era habitual observar el tiempo sideral en lugar del tiempo solar para medir el tiempo solar medio, porque las observaciones de 'fijo' las estrellas podían medirse y reducirse con mayor precisión que las observaciones del Sol (a pesar de la necesidad de hacer varias pequeñas compensaciones, por refracción, aberración, precesión, nutación y movimiento propio). Es bien sabido que las observaciones del Sol plantean obstáculos sustanciales para el logro de la precisión en la medición. En épocas anteriores, antes de la distribución de señales horarias precisas, era parte del trabajo de rutina en cualquier observatorio observar los tiempos siderales del tránsito por los meridianos de las "estrellas del reloj" seleccionadas. (de posición y movimiento bien conocidos), y usarlos para corregir los relojes del observatorio que funcionan con el tiempo sidéreo medio local; pero hoy en día, el tiempo sideral local generalmente se genera por computadora, basado en señales de tiempo.

La hora solar media era un estándar de tiempo utilizado especialmente en el mar con fines de navegación, calculado observando la hora solar aparente y luego añadiéndole una corrección, la ecuación del tiempo, que compensó dos irregularidades conocidas en la duración del día, causadas por la elipticidad de la órbita de la Tierra y la oblicuidad del ecuador de la Tierra y el eje polar con respecto a la eclíptica (que es la plano de la órbita de la Tierra alrededor del sol). Ha sido reemplazado por Universal Time.

La hora media de Greenwich era originalmente la hora media deducida de las observaciones de los meridianos realizadas en el Observatorio Real de Greenwich (RGO). El meridiano principal de ese observatorio fue elegido en 1884 por la Conferencia Internacional de Meridianos para ser el Primer Meridiano. GMT con ese nombre o como 'hora media en Greenwich' solía ser un estándar de tiempo internacional, pero ya no lo es; inicialmente se le cambió el nombre en 1928 a Tiempo Universal (UT) (en parte como resultado de las ambigüedades que surgieron del cambio en la práctica de comenzar el día astronómico a la medianoche en lugar del mediodía, adoptada a partir del 1 de enero de 1925). UT1 sigue siendo en realidad la hora media de Greenwich. Hoy en día, GMT es una zona horaria, pero sigue siendo la hora legal en el Reino Unido en invierno (y ajustada en una hora para el horario de verano). Pero el tiempo universal coordinado (UTC) (una escala de tiempo atómica que siempre se mantiene dentro de los 0,9 segundos de UT1) es de uso común en el Reino Unido, y el nombre GMT se usa a menudo para referirse a él. (Consulte los artículos Hora media de Greenwich, Hora universal, Hora universal coordinada y las fuentes que citan).

Se han definido versiones de la hora universal, como UT0 y UT2, pero ya no se utilizan.

Estándares de tiempo para cálculos de movimiento planetario

El tiempo de efemérides (ET) y sus escalas de tiempo sucesoras que se describen a continuación se han diseñado para uso astronómico, p. en cálculos de movimiento planetario, con objetivos que incluyen la uniformidad, en particular, la ausencia de irregularidades en la rotación de la Tierra. Algunos de estos estándares son ejemplos de escalas de tiempo dinámicas y/o de escalas de tiempo coordinadas. Ephemeris Time fue desde 1952 hasta 1976 un estándar de escala de tiempo oficial de la Unión Astronómica Internacional; era una escala de tiempo dinámica basada en el movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol, de la cual se derivó el segundo de efemérides como una fracción definida del año tropical. Este segundo de efemérides fue el estándar para el segundo SI de 1956 a 1967, y también fue la fuente para la calibración del reloj atómico de cesio; su longitud se ha duplicado muy de cerca, con una precisión de 1 parte en 10¹⁰, en el tamaño del segundo SI actual referido al tiempo atómico. Este estándar de tiempo de efemérides no era relativista y no satisfacía las crecientes necesidades de escalas de tiempo de coordenadas relativistas. Estuvo en uso para los almanaques oficiales y las efemérides planetarias de 1960 a 1983, y fue reemplazado en los almanaques oficiales de 1984 y después, por Jet Propulsion Laboratory Development Ephemeris DE200 numéricamente integrado (basado en la escala de tiempo de coordenadas relativistas Teph del JPL).

Para las aplicaciones en la superficie de la Tierra, el reemplazo oficial de ET fue el Tiempo Dinámico Terrestre (TDT), que mantuvo la continuidad con él. TDT es una escala de tiempo atómica uniforme, cuya unidad es el segundo SI. TDT está vinculado en su tasa al segundo SI, al igual que el Tiempo Atómico Internacional (TAI), pero debido a que TAI se definió de manera algo arbitraria en sus inicios en 1958 para ser inicialmente igual a una versión refinada de UT, TDT se compensó de TAI, por una constante de 32.184 segundos. El desplazamiento proporcionó una continuidad de Ephemeris Time a TDT. Desde entonces, TDT se ha redefinido como Tiempo Terrestre (TT).

Para el cálculo de las efemérides, se recomendó oficialmente el tiempo dinámico baricéntrico (TDB) para reemplazar a ET. TDB es similar a TDT pero incluye correcciones relativistas que mueven el origen al baricentro, por lo que es un tiempo dinámico en el baricentro. TDB difiere de TT solo en términos periódicos. La diferencia es como máximo de 2 milisegundos. Se encontraron deficiencias en la definición de TDB (aunque no afectan a T_eph), y TDB se reemplazó por Tiempo de coordenadas baricéntricas (TCB) y Tiempo de coordenadas geocéntricas (TCG), y se redefinió para ser tiempo de efemérides JPL argumento Teph, una transformación lineal fija específica de TCB. Como se define, TCB (observado desde la superficie de la Tierra) tiene una tasa divergente en relación con todo ET, T_eph y TDT/TT; y lo mismo ocurre, en menor medida, con TCG. Las efemérides de Sol, Luna y planetas de uso generalizado y oficial actual siguen siendo las calculadas en el Jet Propulsion Laboratory (actualizadas desde 2003 a DE405) utilizando como argumento T_eph.