为什么经常需要闰秒?

在协调世界时(UTC)中,添加闰秒以解释地球自转速度的减慢。但据说放慢速度是一个世纪以来的毫秒级。那么为什么仅在过去的几十年里,UTC增加了超过25个闰秒?

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@Mehrdad我怀疑Emilio所得到的是OP所引用的数字由“物理博士”制作的,如果你把它视为“正常人”所说的话就会出现问题。
额外 作者 Philip Broadway,
@Mehrdad一个世纪以来有5200周。时钟减速率为1秒/天/周意味着一个世纪后,时钟每天损失5200秒。时钟减速率为1秒/天/世纪意味着一个世纪后,时钟每天损失一秒钟。这真的不是那么难。
额外 作者 Nathan Feger,
关于“减速据说是一个世纪以来的毫秒级” - 由谁说,在哪里?报价实际报告的准确数量是多少?如果它是一个减速率,一个更自然的单位将是每个世纪每天毫秒 - 你确定不是这样吗?
额外 作者 Nathan Feger,
@Mehrdad你似乎完全混淆了速度和加速度之间的差异;它们是完全不同的东西,你通过将一个变化除以一个时间间隔,即通过将“每年”附加到单元,从前者到后者。我不知道为什么你认为增加“没有改变”但这是错误的。
额外 作者 Nathan Feger,
@TripeHound:我的观点是,这将是一个错误的假设。如果你确实谷歌“地球自转减速率”,第一篇文章是这篇福布斯文章”每天减慢几毫秒“这是一篇由博士写的文章......而不是物理学。我不知道你读了什么文章,但是每当我看到一篇关于这个主题的外行文章时,就像这里一样,每毫秒一毫秒,而不是加速。
额外 作者 Nikhil Chelliah,
(删除我的一些评论以清理......)
额外 作者 Nikhil Chelliah,
@EmilioPisanty:不......我说人们(读:普通人,不是物理博士)谈论时钟运行缓慢,他们不要谈论加速度。他们谈论一段时间内的平均偏差。这就像是说“在我目前的加速度下,我会在1000秒内增加1000米”......这意味着在下一个1000秒的间隔内,我平均每秒钟获得1米的速度。您可以根据需要对其进行切片和切块(“下一个平均每秒1米分钟?)并获得同样的事情(“任何间隔......它的平均值”)。
额外 作者 Nikhil Chelliah,
@dsvthampi - 我看到你问过十个问题,但没有接受一个答案。你应该想到这样做(接受一些答案,就是这样)。
额外 作者 David Hammen,
@Mehrdad如果你的意思是你的例子,1米/秒/秒= .001米/秒/毫秒。这不是一段时间的平均值,我们必须看一下t 0速度与t 0 +Δt速度之间的差异。
额外 作者 Jason S,
@Mehrdad这可能是真的,然而,物理学家设计的原子钟与普通人使用的时钟有不同的问题。日常时钟的运行速度接近86400秒/天。如果您的时钟以86401秒/天运行,那么您的时钟每秒增加1秒。原子钟以精确的速度运行 - 简单地说,它们总是以每天86400秒的速度运行。地球的旋转只是近似恒定:它随着时间的推移而减速,而闰ms用于纠正这种偏差。
额外 作者 Jason S,
@EmilioPisanty我确实错误地读了“每个世纪的毫秒数”。现在我明白它是“每个世纪每天”。
额外 作者 Human,

7 答案

旋转速度的变化率并不重要,它是当前旋转速度(在面向太阳的旋转参考系中)与24小时不匹配。

因此,闰秒(平均 1 )以接近恒定的速率累积,因为(正如你所指出的)平均变化率低于实际日长与我们的时钟之间的现有不匹配说。

请记住,闰秒是增加/减少的绝对偏移量,而不是我们时钟速度的乘数,它可以解决未来的问题,直到速度漂移更多。

我们通过添加步长偏移而不是通过改变斜率来纠正时间函数中的“误差”。 SI秒的长度保持固定,我们时钟的一天长度固定为24小时/ 86400 SI秒(没有闰秒)。


  1. In practice the linear model doesn't work at all in the short-term: there's lots of year-to-year variation, and 1.5-2ms/day/century is only a long-term average. See @David Hammen's answer for a nice graph and more details. He commented:

    Nine leap seconds were added in the first eight years after implementing the concept of leap seconds while only two were added over the 13 year span starting in 1999.

    The chaotic short-term variation dominates over any period short enough to ignore the average slowdown.


More details from the US Naval Observatory's Leap Second article

SI秒($ 9 192 631 770 $ Cesium原子周期)被选为1900年的1/31 556 925.9747 $ 。

地球经常因潮汐的制动作用而减速。通过使用古老的日食观测,可以确定地球的减速度大约是每个世纪每天1.5-2毫秒

请注意该测量的单位:它是每个世纪每天的ms,或$ \ Delta s/s/s $,如加速度,而不是速度。绝对不是每个世纪1.5毫秒。

Purely coincidentally, a mean solar day is currently on average 2 ms longer than an SI day, so the current error-accumulation rate is 2 ms/day. It's been about 1 century since the defining epoch for the SI second. It takes less than 1000 days to need another leap second. . (There are various effects which make solar days differ in length, but on average they're longer than 24h and getting even longer.)

在另一个世纪(地球不断减速),我们需要增加闰秒大约两倍于现在的频率,以保持累积差值 UT1-UTC 小于0.9秒。

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额外
@DawoodibnKareem OP误解的一部分似乎是认为闰秒可以纠正由于旋转速度变化导致的太阳日长度的变化,这引发了为什么闰秒似乎发生的频率远远超过看似必要的时间为那个价格。 OP对于减速的速度是正确的,但是关于如何与闰秒相关是错误的。正如这个答案所说的那样,闰秒可以纠正不同的错误,但是这个答案没有提到错误的更高速率,没有它就没有完全解释为什么闰秒发生得更频繁。
额外 作者 raptortech97,
值得注意的是,这里的错误是每天一到两毫秒,而不是每个世纪,所以一秒钟关闭需要不到1000天。
额外 作者 raptortech97,
Re 闰秒以接近恒定的速率累积:根本不是这种情况。在实施闰秒概念后的前八年中增加了九个闰秒,而在1999年开始的13年跨度中只增加了两个。这个速度不过是统一的。
额外 作者 David Hammen,
@Jasper不,不是误会。 OP表示减速是每个世纪的毫秒级。我的理解是这是正确的 - 如果地球每天每天减速而不是每个世纪,我们需要更多的闰秒。
额外 作者 Tony,
@ShadSterling是的,错误是每天毫秒的数量级,但实际减速(即错误的变化率)远远低于每天。所以OP是正确的。
额外 作者 Tony,
虽然短语“接近恒定速率”是主观的 - 我会说现在和日期定义时(1900年)和强烈不规则的成分(主要来自惯性变化时刻)的日长差异会产生线性成分。 )排除了超过6个月时间的闰秒预测。
额外 作者 JEB,
这是解决OP对“一个世纪以来的毫秒”的误解的答案。
额外 作者 Andrew,
@Jasper:是的,我认为其他答案都没有解决真正的误解,这就是我发布这个的原因:P
额外 作者 Peter Cordes,
@ShadSterling:用数字更新,因为有一些有趣的东西要说。之前很清楚,IMO:一旦你知道减速和当前的旋转速度是独立的,就会解决混乱,你可以明显地推断出当前与闰秒插入速率的不匹配。
额外 作者 Peter Cordes,
@Gizmo:ms/day是当前误差累积率的度量。但它不变,因为地球的旋转正在减速,所以我们还需要测量该误差累积速度的加速度。下个世纪需要比本世纪更多的闰秒。 (更新了我的答案,显示 ms/day 的来源,因为我没有在段落中使用那个确切的短语)。所以是的,我们需要 ms/day ,但它也不是一个代码。
额外 作者 Peter Cordes,
@DavidHammen:谢谢,我没有意识到年度变化主导了短期内的平均趋势。更新了我的回答,并添加了一个链接到你的。
额外 作者 Peter Cordes,
那么,为什么单位“每个世纪每天毫秒”?为什么他们不能只使用“每天毫秒”?因为我们不断增加闰秒,所以天数更少?意味着该单位确保您在一个世纪内添加恒定的毫秒数,例如每个世纪73秒?为什么不进行这样的衡量?
额外 作者 Adam Lee,

这是一种累积效应。假设平均太阳日比86400秒的SI日长约1.5毫秒。这种差异每天都在累积。 1000天后,总差异变为1.5秒。在大约50年的18000天后,总差异为27秒。这就是自1972年以来插入了27个闰秒的原因。

另请参阅此图表:关于闰秒的//en.wikipedia.org/wiki/Leap_second#Slowing_rotation_of_the_Earth“rel =”noreferrer“> wiki文章。

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额外
不,这是累积效应的事实根本不是红鲱鱼 - 它标志着加速度和速度之间的差异(这只是加速度的“累积效应”),这恰恰是混乱的关键在OP中提出。
额外 作者 Nathan Feger,
这是一种“累积效应”,虽然是红鲱鱼。我会把它拿出来,或者至少把它放在答案的后面,因为如果OP的统计数据是正确的,它就无法解释问题。真正的解释是在你的第3句中,即OP得到了统计错误。
额外 作者 Nikhil Chelliah,
这很大程度上取决于人们选择什么作为基线。例如,如果基线轮换率被选为1971年的平均轮换率,那么自1972年以来我们必须有一些负的闰秒。1971年的基线当然会破坏公制系统。相反,基线轮换率约为1820.一旦选择了度量标准,标准委员会就会尽力确保标准的更新与先前版本一致。
额外 作者 David Hammen,

这里有很好的答案,但仍有一个问题 - 如果原子时间只有大约50年左右,而地球的自转速度只会以约0.5毫米/天/世纪的速度放缓,我们需要一个怎么样?每年还是两年闰秒?难道我们现在不应该每十年累积大约1秒的错误吗?

对此的回答涉及一点历史:选择“原子”SI秒来保持与第二个的连续性。星历时间,在1952年被标准化。虽然星历时间基于 - 相当令人印象深刻 - 超过150年的天文观测,这些观测的长度意味着ET 反映了大约1820年平均太阳日的长度。因此,在20世纪60年代和70年代,平均太阳日已经超过86,400秒每天1-3毫秒。这意味着当在1972年引入闰秒时,错误已经以需要定期引入闰秒的速率累积。

事实上,从那时起的一段时间以来,地球一直在逆转长期趋势并且加速其旋转,导致闰秒加速的速度减慢一段时间,没有在1998年底到2005年底之间完全相加。但这只是随机波动,从长远来看,趋势将占上风,错误将以越来越快的速度增长,需要更频繁地增加闰秒作为几个世纪以来,除非某种历法改革在此之前使它们变得不必要。

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这不完全准确 - 星历时间是基于使用1900作为基线时期的年份长度,而不是1820年。
额外 作者 Nathan Feger,
@EmilioPisanty - 完全准确。它只缺少一两件。星历时间定义于1948年,基于纽科姆19世纪晚期的地球轨道模型,该模型又基于140年的太阳日测量,以1820年为中心。
额外 作者 David Hammen,
@DavidHammen有没有参考这个分析,以及它们如何推断到1900年(显然它是1900年1月的第0.5天,所以真的是1899年的最后一天的中午,所以他们得到了一整夜的观察而没有摆弄时钟IIRC)
额外 作者 Philip Oakley,
1900年的推断是由Simon Newcomb完成的,但基本上只有他的结果和一些评论出现在他的桌子上( catalog.hathitrust.org/Record/008383180 ),但大多数工作仍保留在他的ms档案中,这些档案与美国星历表和航海阿拉曼克的办公室保存在一起。
额外 作者 BigBen,
@ Philip-Oakley中午开始天文学日是一个非常古老的传统,官方历书只能从1925年开始转变为民间午夜开始。
额外 作者 BigBen,
@ Philip-Oakley参考文献:对星历秒的有影响的分析是Spencer Jones'( adsabs .harvard.edu/abs/1939MNRAS..99..541S ),另见( en.wikipedia.org/wiki/Ephemeris_time )。星历第二只是最初提出用于科学用途,并且会使平均太阳时间用于不需要这种精确度的民用生活。这个警告后来被标准机构忽略了,这部分地解释了采用标准秒的常见性,这一点总是有点太短。
额外 作者 BigBen,

没有添加闰秒来解释地球革命的减速。它们的加入是为了解释地球的自转和它的旋转(关于太阳)没有完全同步的事实。每四年增加一天(除了某些特殊情况)有助于但仍然不能完美地纠正旋转和旋转之间的不匹配。这就是采用闰秒的原因。

编辑:@JBently是正确的(见下面的评论)。我确实混淆了两个不同的“跳跃”修正。计时很复杂,旧记忆有时会产生误导。由于天气和地质因素,吉姆加里森也有一点,因为白天长度略有不同。因此,闰秒的增加是不可预测的。

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@LewisMiller意思是没有不尊重,我个人觉得upvotes的存在是对真正质量的一个令人难以置信的糟糕判断。我还发现人们倾向于向他们投票的频率提高约10倍(物理学有点严格,只有6.25倍,因此在尝试确定共识时,请考虑将您的downvotes乘以6.25以获得准确的比较!)
额外 作者 Lee,
闰秒与地球的轨道周期只有微弱的关系,它与地球的旋转周期密切相关。添加闰秒是因为持续时间一秒(铯超精细过渡)与一天的持续时间(1次旋转)无关。铯原子没有意识到地球是否完成了一次旋转,所以铯原子不能说当今天变成明天的日历。
额外 作者 Yuval Filmus,
我贬低了。这是完全错误的。闰秒是因为平均太阳日略长于86400秒。它与一年的长度无关。
额外 作者 Tony,
它更复杂。 “天”(中午至中午)全年变化最多约15分钟。谷歌“时间的方程式”。
额外 作者 Leatherwing,
-1表示错误,但为了澄清错误的来源,这个答案正在混淆闰秒<�事实上计算闰日的算法偶尔会偏离平时“年份可被4整除”规则,以便进行此答案所描述的更正但错误地归因于闰秒。
额外 作者 M Conrad,
我赞成第一句话。在我发布之前,这个人最直接地解决了OP的错误观念。关于匹配太阳年的错误是一个缺点,但还不足以阻止我支持。编辑说一些关于太阳年的事情并解释它实际上是分开的将是好的。
额外 作者 Peter Cordes,
您可以编辑答案以使其正确,而不是仅编辑以添加说明错误的部分。 (或删除它)。您的编辑主要只是评论回复,它仍应是评论。
额外 作者 Peter Cordes,
@DawoodibnKareem如果这是整个故事,那么闰跃的第二次添加将是完全可预测的。看我的编辑。
额外 作者 Martin Nielsen,
@PeterCordes我收到了几个赞成票,告诉我其他人也有同样的误解。这就是为什么我决定编辑而不是删除。
额外 作者 Martin Nielsen,

为什么经常需要闰秒?

TL; DR:我们需要经常闰秒,因为在第二天的定义中有一个两百年的偏差(非零偏移)是一天的1/86400。


一千字(又名一张图片)说明:

Portrays four overlaid time series from the start of 1962 to the end of 2016. Grey: The deviation of a mean solar day from an 86400 second day, in milliseconds. Green: A moving 365 day average of that variation. Red: The cumulated deviation starting from 1 January 1972, (the introduction of the leap second concept). Red dots: When leap seconds were introduced. The vertical axis is to the left for the grey and green curves, to the right for the red curve and red dots.
Source: Public domain Wikipedia Commons page Deviation of day length from SI day.

上图中的灰色和绿色曲线显示了从1962年1月1日到2016年12月31日的一天中的长度(一个平均太阳日的长度减去86400秒)的变化,以毫秒为单位(左垂直轴)。灰色曲线显示平滑的每日值,而绿色曲线显示365天的平均值。红色曲线显示曲线下面积,零点设置为1972年1月1日(当引入闰秒概念时)。红点表示每次闰秒的介绍。红色曲线和红色点以秒为单位,右侧垂直轴。

请注意,一天的长度表现出很多变化。这种短期变化是地球五个不同旋转部分之间角动量交换的结果:大气,海洋,地壳和地幔,外核和内核。在这短短的55年里你看不到的是,一天中的长度也表现出长期趋势。这些长期趋势部分是由于地球惯性张量的变化(地球仍然从上一个冰河时代末期反弹),部分是由于从地球到月球的角动量的长期转移。

角动量从地球到月球的转移意味着现在的一天比遥远的过去更长。虽然地球将角动量传递到月球的速度非常小,但随着时间的推移,这种情况不可避免地增加。这一天比45亿年前的时间要长得多(据推测,在月亮首次形成后不久,这一天大约需要4到6个小时),这比25亿年前的时间长得多(基于潮汐节律的第一次可靠观察)。

这一天现在也比几个世纪前的一点点长。这几个世纪是回答“为什么经常需要闰秒?”这个问题的关键。我们的概念包括24小时或86400秒,基于几个世纪前的一天。长期趋势使得地球现在旋转的速度比当时慢一点。这导致曲线中的偏差(非零偏移)。绿色曲线中的偏差导致红色曲线,绿色曲线下面积呈现长期增长。当红色曲线或多或少增加一秒时,会添加闰秒。

细节:当UT1和UTC之间的绝对差值超过0.6秒时,实践是在6月30日或12月31日增加或减去闰秒。闰秒一直是积极的。由于在第二个定义中存在约200年的偏差,因此从来没有需要负闰秒。

2
额外

地球的旋转速度受到行星局部(如天气)和外部(如太阳系重力扰动)的多种因素的影响。

你的问题固有的假设只有1个因素影响它而且只有1个恒定速率是不正确的。

速度实际上在数学上是混乱的,因此难以预测。 IERS 尝试预先提前6个月预测更改,目标是通过添加或删除<�将高度准确的“原子时间”和民用UTC时间之间的差值保持在0.9 SI秒以下/ strong>在一年中数学和政治上最合适的时间到UTC的闰秒。

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额外
@supercat是一个有趣的问题。我记得google最近使用类似的方案来处理内部的闰秒。我建议将其作为一个单独的问题发布。我不确定哪个是正确的stackexchange。
额外 作者 dmnd,
如果有的话,在每年的1月1日选择两个或三个长度的“民用秒”之间有什么特别的问题,相差约0.05ppm?唯一需要关心民事时间不同长度的事情是需要在民事时间和原子时间之间转换的程序,或那些保持民事时间有自己的时间基础的程序精确到0.05ppm以上。将时间流量变化0.05ppm的速度看起来要比将一些“五秒”间隔延长一整秒更具破坏性。
额外 作者 Evargalo,
@PeterCordes:我想,或许我的规则略有改进,就是说从1月1日开始的180天和7月1日将调整(或不调整)1/16,552,000,而剩余的天数则不会。这将允许两个时间在每年的1月1日和7月1日精确重合。有些引用使用闰秒,如果期望闰秒的系统始终使用使用它的引用,则某些引用不会导致问题。不使用闰秒的系统将无法避免闰秒时间的偏差,无论他们做什么,但......
额外 作者 Evargalo,
......如果它们与180天内昙花一现的时钟同步,我们可能会有更少的偏差(我认为谷歌的飞跃涂抹在一天之内传播闰秒,但将其涂抹在180以上似乎会更好)。
额外 作者 Evargalo,
不过我会承认,我也很好奇 - 如果科学家们对一天的平均长度进行最佳猜测,并且只是说“民用秒”是一定数量的原子秒,那么会有多少漂移有可能在未来100年?对于民用计时,如果行星的旋转比中午的位置落后0.5度,那会有关系吗?
额外 作者 Evargalo,
@supercat:噩梦场景是某些司法管辖区采用你的想法而有些则没有,所以你需要将这些信息保存在zoneinfo文件中,并且跨越时区将时间改变+ -1h(或其他)并追溯闰秒和撤消积累还是什么?我想并希望对任何人来说都太可怕了。在大多数实际时钟的不精确度下,0.05 ppm会丢失,因此计算机通常只会像以前一样使用NTP,并在本地时钟速率上使用一些倍数。但是具有精确时钟的东西可能会违反它们的假设。
额外 作者 Peter Cordes,

对此的一个很好的比较是美国国债与美国国家赤字。目前美国债务约为21万亿美元,但2017年美国国家赤字不到7000亿美元。闰秒就像债务一样,他们不断加起来。一天的长度变化就像赤字的变化,与债务相比,这似乎很小。

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额外
那么......赤字是债务的年度增长,国债是一个单一的增长总额?您可能希望重新评估这些术语对物理学(即非财务,通常是非美国,英语为第二语言)的受众的熟悉程度,并可能在适当时提供这些术语的更精确定义。
额外 作者 Nathan Feger,
更多(或者更重要的),与赤字相比,赤字的变化很小。
额外 作者 Peter Cordes,