Un estándar de tiempo es una especificación para medir el tiempo: ya sea la velocidad a la que pasa el tiempo, puntos en el tiempo o ambos. En los tiempos modernos, varias especificaciones de tiempo han sido reconocidas oficialmente como estándares, mientras que 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 divisiones de tiempo. Un estándar para la hora civil puede especificar tanto intervalos de tiempo como la hora del día.
Las mediciones de tiempo estandarizadas se realizan utilizando un reloj para contar períodos de algunos cambios de período, que pueden ser cambios de un fenómeno natural o de una máquina artificial.
Históricamente, los estándares de tiempo se basaban a menudo 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. Observaciones astronómicas de varios tipos, incluidos registros de eclipses, estudiadas en el siglo XIX, despertaron sospechas de que la velocidad de rotación de 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 patrones de tiempo más antiguos y puramente astronómicos, para la mayoría de los fines prácticos, por patrones 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) suelen definirse en términos de estos dos.
El término "tiempo" se utiliza generalmente para muchos conceptos cercanos pero diferentes, entre ellos:
Sólo ha habido tres definiciones del segundo: como fracción del día, como fracción de un año extrapolado y como frecuencia de microondas de un reloj atómico de cesio. [6]
En la historia antigua, los relojes no eran lo suficientemente precisos para registrar 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 finales 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 llevó a la definición de tiempo de efemérides y año tropical , y la segunda 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 de tiempo de efemérides". [7] [8] Esta definición fue adoptada como parte del Sistema Internacional de Unidades en 1960. [9]
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 radiación correspondientes 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 ). [10] [11] El segundo SI es la base de todas las escalas de tiempo atómicas, por ejemplo, la hora universal coordinada, la hora GPS, la hora atómica internacional, etc.
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 error de medición .
El Tiempo Atómico Internacional (TAI) [12] es el principal estándar de tiempo realizado físicamente. TAI es producido por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) y se basa en la entrada combinada de muchos relojes atómicos alrededor del mundo, [13] cada uno corregido por efectos ambientales y relativistas (tanto gravitacionales como debidos a la velocidad, como en GNSS ). TAI no está relacionado directamente con TCG, sino que es una realización del Tiempo Terrestre (TT), una escala de tiempo teórica que es una reescalación de TCG de modo que la velocidad del tiempo coincide aproximadamente con el tiempo adecuado al nivel medio del mar .
El Tiempo Universal (UT1) es el Ángulo de Rotación de la Tierra (ERA) escalado linealmente para coincidir con las definiciones históricas del tiempo solar medio a 0° de longitud. Con alta precisión, la rotación de la Tierra es irregular y se determina a partir de las posiciones de quásares distantes utilizando interferometría de línea de base larga, alcance 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 a UT1. UTC se diferencia de TAI por un número entero de segundos. UTC se mantiene dentro de 0,9 segundos de UT1 mediante la introducción de pasos de un segundo a UTC, el " segundo intercalar ". 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 (GPST) a UTC. Se definió con un desplazamiento constante del TAI: GPST = TAI - 19 s. El estándar de hora del GPS se mantiene de forma independiente pero se sincroniza periódicamente con la hora UTC o desde ella.
La hora estándar o hora civil en una zona horaria se desvía una cantidad fija y redonda, 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 cuando el Sol cruza el meridiano nadir . Alternativamente, la diferencia no es realmente fija, sino que cambia dos veces al año en una cantidad redonda, generalmente una hora, consulte Horario de verano .
El número de días julianos es un recuento de los días transcurridos desde el mediodía medio 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, por ejemplo, MJD 49135.3824 TAI. [14]
El tiempo de coordenadas baricéntrico (TCB) es un tiempo de coordenadas que tiene su origen espacial en el centro de masa del Sistema Solar , que se llama baricentro.
Las conversiones entre sistemas de tiempo atómico (TAI, GPST y UTC) son en su mayor parte exactas. Sin embargo, el tiempo del GPS es un valor medido a diferencia de una escala "de papel" calculada. [15] Como tal, puede diferir del UTC(USNO) en unos pocos cientos de nanosegundos, [16] que a su vez puede diferir del UTC oficial hasta en 26 nanosegundos. [15] Las conversiones para UT1 y TT se basan en tablas de diferencias publicadas que a partir de 2022 [actualizar]se especifican en 10 microsegundos y 0,1 nanosegundos respectivamente.
Definiciones:
TCG está relacionado linealmente con TT como: TCG − TT = L G × (JD − 2443144,5) × 86400 segundos, con la diferencia de escala L G definida como 6,969290134 × 10−10 exactamente.
TCB es una transformación lineal de TDB y TDB se diferencia de TT en términos pequeños, en su mayoría periódicos. Sin tener en cuenta estos términos (del orden de 2 milisegundos durante varios milenios alrededor de la época actual), [17] TCB está relacionado con TT por: TCB − TT = L B × (JD − 2443144,5) × 86400 segundos. [18] La IAU ha definido la diferencia de escala LB como 1.550519768e-08 exactamente. [17]
El tiempo solar aparente o tiempo solar verdadero se basa en el día solar, que es el periodo comprendido 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 docenas de segundos por encima o por debajo del valor medio de 24 horas. A medida que la variación se acumula a lo largo de 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 al cabo de un año. También hay otras perturbaciones como la oscilación de la Tierra, pero son menos de un segundo por año.
El tiempo sideral es el tiempo de las estrellas. Una rotación sidérea es el tiempo que tarda la Tierra en realizar una revolución con rotación hacia 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 sidéreo medio, o 1 ⁄ 366 más que un día sidéreo medio. En astronomía , el tiempo sidéreo se utiliza para predecir cuándo una estrella alcanzará su punto más alto en el cielo. Para trabajos astronómicos precisos en tierra, era habitual observar el tiempo sidéreo en lugar del tiempo solar para medir el tiempo solar medio, porque las observaciones de estrellas "fijas" podían medirse y reducirse con mayor precisión que las observaciones del Sol (a pesar de la necesidad para realizar varias pequeñas compensaciones, por refracción, aberración, precesión, nutación y movimiento propio). Es bien sabido que las observaciones del Sol plantean obstáculos importantes para lograr la precisión en las mediciones. [19] En épocas anteriores, antes de la distribución de señales horarias precisas, formaba parte del trabajo rutinario en cualquier observatorio observar los tiempos sidéreos del tránsito de los meridianos de 'estrellas de reloj' seleccionadas (de posición y movimiento bien conocidos), y utilizarlos para corregir los relojes de los observatorios que funcionan con la hora sidérea media local; pero hoy en día la hora sidérea local suele generarse por computadora, basándose en señales horarias. [20]
El tiempo solar medio era un estándar de tiempo utilizado especialmente en el mar con fines de navegación, calculado observando el tiempo solar aparente y luego añadiéndole una corrección, la ecuación del tiempo , que compensaba dos irregularidades conocidas en la duración del día, causadas por la 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 el plano de la órbita de la Tierra alrededor del sol). Ha sido reemplazado por el Tiempo Universal .
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 como Primer Meridiano . GMT, ya sea con ese nombre o como "hora media en Greenwich", solía ser un estándar de hora 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 medianoche en lugar de al mediodía, adoptada a partir del 1 de enero de 1925). UT1 todavía está en realidad en 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 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. (Ver artículos Hora media de Greenwich , Hora universal , Hora universal coordinada y las fuentes que citan).
Se han definido versiones de hora universal como UT0 y UT2, pero ya no se utilizan. [21] [22]
El tiempo de efemérides (ET) y sus escalas de tiempo sucesoras que se describen a continuación han sido pensados para uso astronómico, por ejemplo, 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 . El tiempo de efemérides fue de 1952 a 1976 un estándar de escala de tiempo oficial de la Unión Astronómica Internacional ; se trataba de una escala de tiempo dinámica basada en el movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol, de la que se derivaba el segundo de efemérides como una fracción definida del año tropical. Este segundo de efeméride 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 estrechamente, con una precisión de 1 parte en 10 10 , en el tamaño del segundo SI actual referido al tiempo atómico. [23] [24] 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 efemérides planetarias de 1960 a 1983, y fue reemplazado en los almanaques oficiales de 1984 y después, por las Efemérides DE200 de Desarrollo del Laboratorio de Propulsión a Chorro numéricamente integradas (basadas en la escala de tiempo de coordenadas relativista del JPL Teph ) .
Para aplicaciones en la superficie terrestre, el reemplazo oficial de ET fue el Tiempo Dinámico Terrestre (TDT), que mantuvo continuidad con él. TDT es una escala de tiempo atómica uniforme, cuya unidad es el segundo SI. La TDT está vinculada en su velocidad al segundo SI, al igual que el Tiempo Atómico Internacional (TAI), pero debido a que TAI se definió de manera un tanto 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 del Tiempo de Efemérides a la TDT. Desde entonces, la TDT ha sido redefinida como Hora Terrestre (TT).
Para el cálculo de efemérides, se recomendó oficialmente el Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB) para reemplazar al 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. [25] TDB difiere de TT sólo en términos periódicos. La diferencia es como máximo de 2 milisegundos. Se encontraron deficiencias en la definición de TDB (aunque no afectan a Teph ) , y TDB ha sido reemplazado por tiempo de coordenadas baricéntricas (TCB) y tiempo de coordenadas geocéntricas (TCG), y redefinido como argumento de tiempo de efemérides del JPL Teph , un argumento de tiempo fijo específico. transformación lineal de TCB. Tal como se define, TCB (observado desde la superficie de la Tierra) tiene una tasa divergente en relación con todos los ET, Teph y TDT/TT; [26] y lo mismo ocurre, en menor medida, con TCG. Las efemérides del Sol, la Luna y los planetas de uso generalizado y oficial actual siguen siendo las calculadas en el Jet Propulsion Laboratory (actualizado en 2003 a DE405 ) utilizando como argumento Teph .
La hora del GPS se dirige automáticamente a UTC(USNO) diariamente para mantener la hora del sistema dentro de un microsegundo de UTC(USNO), pero durante los últimos años ha estado dentro de unos pocos cientos de nanosegundos.
UT2 se considera hoy en día obsoleto.