原子时由原子钟提供,秒长十分稳定,但时刻没有具体物理内涵。世界时以地球自转为标准,虽然因地球自转速率变化而秒长不稳定,但它的时刻反映地球在空间旋转时地轴方位的变化。大地测量、天文导航、宇宙飞行体的跟踪测量等领域,需要知道任意瞬间地球自转轴在空间中的方位角,即世界时时刻。而精密校频等物理学测量,则要求有均匀的时间间隔,即需要稳定的原子时秒长。但是,时间服务部门不可能以同一个原子钟为标准发播时号,同时满足性质不同的这两种要求,于是就出现原子时和世界时如何协调的问题。为此,国际无线电咨询委员会(International Radio Consulative Committee,CCIR)在1960年提出了协调方案,规定采用一种介乎原子时和世界时之间的时间尺度,发播标准时间和频率信号。这种时间尺度既能保留由原子钟产生的均匀时间尺度的优点,又能反映地球自转变化,是原子时与世界时折中协调的产物,所以称为协调世界时,记为UTC。
协调世界时的发展分为两个阶段:1961~1971年,在此期间,通过频率调偏(又称频率补偿)和时刻跳变,使协调世界时的时刻与世界时UT2时刻之差保持在±0.1秒以内。这两个改正量的数值由国际时间局(BIH)根据天文观测确定。
按照以上协调方法得到的协调世界时,由于采用频率调偏,使其秒长变得不固定,有损于原子时秒长均匀的优点。为此,国际天文学联合会(IAU)和CCIR在1971年决定,从1972年1月1日起,改变协调方法,得到一种新的协调世界时系统。新系统具有如下特点:
①取消频率调偏,协调世界时秒长严格等于原子时秒长。
②协调世界时UTC与国际原子时TAI之间只差n个整数秒,即UTC=TAI+n。
③UTC-UT1的最大允许偏差为±0.9秒。
当两者之差接近这一数值时,可在某月的最后一天(一般为6月30日或12月31日),在UTC中引进1秒的跳变。这一跳变称为闰秒,增加1秒时为正闰秒,反之为负闰秒。闰秒的具体实施如图所示。为了使协调世界时与国际原子时在时刻上保持整秒的差数,在新旧系统过渡时做了-0.1077580秒的调整,即规定旧系统1971年12月31日23时59分60.1077580秒瞬间,为新系统1972年1月1日的开始。
上图为正闰秒,事件发生时间为6月30日23时59分60.6秒;下图为负闰秒,事件发生时间为6月30日23时59分58.9秒闰秒规则
协调世界时兼顾原子时和世界时的特点,多数国家都以它为标准发播时间频率信号。从1979年起,国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)将它规定为国际民用时间标准。但是,由于不定期插入闰秒,它不是连续计数的时间尺度。近几十年来,时间用户发生了重大变化,有些用户,例如现代定位导航和数据传输系统等,需要连续计数的时间尺度。因此出现了对现行UTC进行改革的讨论。有关学术机构已经提出了一些改革方案,其中受关注者有三:①中止闰秒。即保留目前的UTC尺度,但不再引进闰秒。这一选择可使现行民用时间标准UTC得以连续,但UTC与UT1的差值会越来越大。②定期闰秒。在选定的间隔内,譬如每4年一次的公历闰年的2月29日的最后1秒插入闰秒。该方案的优点是闰秒日期固定,缺点是每次的闰秒数可能会有变化。③保持现状。这样,授时系统的各种工作都无须改变,但闰秒数和实施闰秒的频次会越来越大,已经暴露的问题和由此引起的不满会越来越严重。有关讨论尚在进行中。国际度量衡局(BIPM)将在论证协调后作出决定。
协调世界时