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, 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 el tiempo 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 patrones de tiempo se basaban a menudo en el período de rotación de la Tierra. Desde finales del siglo XVIII hasta el siglo XIX se suponía que la velocidad de rotación diaria de la Tierra era constante. Las observaciones astronómicas de varios tipos, incluidos los registros de eclipses, estudiadas en el siglo XIX, levantaron 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 patrones de tiempo basados en la rotación de la Tierra fueron reemplazados (o inicialmente complementados) para uso astronómico a partir de 1952 por un patrón 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 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.
En la mayoría de las escalas de tiempo se utilizan diversos tipos de segundos y días como intervalo de tiempo básico. Otros intervalos de tiempo (minutos, horas y años) suelen definirse en función de estos dos.
El término "tiempo" se utiliza generalmente para muchos conceptos cercanos pero diferentes, entre ellos:
Hasta ahora 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 medir los segundos. Después de la invención de los relojes mecánicos, el sistema de unidades CGS y el sistema MKS definieron el segundo como 1/86 400 de un día solar medio . El MKS se adoptó 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 condujo a la definición del tiempo de efemérides y del año trópico , y el segundo de efemérides se definió como "la fracción 1 ⁄ 31,556,925.9747 del año trópico para el 0 de enero de 1900 a las 12 horas del 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 básica 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 ). [10] [11] El segundo SI es la base de todas las escalas de tiempo atómicas, por ejemplo, el tiempo universal coordinado, el tiempo GPS, el Tiempo Atómico 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. El TCG es un ideal teórico y cualquier realización particular tendrá un error de medición .
El Tiempo Atómico Internacional (TAI) [12] es el principal estándar de tiempo realizado físicamente. El TAI es producido por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), y se basa en la entrada combinada de muchos relojes atómicos de todo el mundo, [13] cada uno corregido para efectos ambientales y relativistas (tanto gravitacionales como debido a la velocidad, como en GNSS ). El TAI no está relacionado con el TCG directamente, sino que es una realización del Tiempo Terrestre (TT), una escala de tiempo teórica que es un reescalamiento del TCG de modo que la tasa de tiempo coincida aproximadamente con el tiempo propio 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 cuásares distantes utilizando interferometría de línea base larga, medición láser de la Luna y satélites artificiales, así como órbitas satelitales GPS.
El Tiempo Universal Coordinado (UTC) es una escala de tiempo atómica diseñada para aproximarse al UT1. El UTC difiere del TAI en un número entero de segundos. El UTC se mantiene dentro de 0,9 segundos del UT1 mediante la introducción de pasos de un segundo en el 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 a nivel mundial, junto con instrucciones para convertir la hora GPS (GPST) a UTC. Se definió con una diferencia constante con respecto a TAI: GPST = TAI - 19 s. El estándar de hora GPS se mantiene de forma independiente, pero se sincroniza regularmente con o desde la hora UTC.
La hora estándar o la hora civil en una zona horaria se desvía una cantidad fija y redonda, normalmente un número entero de horas, de alguna forma de hora universal , normalmente UTC. La diferencia se elige de forma que un nuevo día comience aproximadamente cuando el Sol esté cruzando el meridiano nadir . Alternativamente, la diferencia no es realmente fija, sino que cambia dos veces al año en una cantidad redonda, normalmente una hora, véase horario de verano .
El número de día juliano es un recuento de días transcurridos desde el mediodía del 1 de enero de 4713 a. C., según el calendario proléptico juliano. La fecha juliana es el número del día juliano seguido de la fracción del día transcurrido desde el mediodía anterior. Esto, de manera conveniente para los astrónomos, evita el salto de fecha durante una noche de observación. El día juliano modificado (MJD) se define como MJD = JD - 2400000,5. Por lo tanto, un día MJD comienza a 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 Coordenado Baricéntrico (TCB) es un tiempo coordenado que tiene su origen espacial en el centro de masa del Sistema Solar , llamado baricentro.
Las conversiones entre sistemas de tiempo atómico (TAI, GPST y UTC) son en su mayor parte exactas. Sin embargo, el tiempo GPS es un valor medido en lugar de una escala "en 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 en hasta 26 nanosegundos. [15] Las conversiones para UT1 y TT se basan en tablas de diferencias publicadas que a partir de 2022 [actualizar]están especificadas 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.
La TCB es una transformación lineal de la TDB y la TDB difiere de la TT en términos pequeños, en su mayoría periódicos. Si se ignoran estos términos (del orden de 2 milisegundos durante varios milenios alrededor de la época actual), [17] la TCB está relacionada con la TT por: TCB − TT = L B × (JD − 2443144.5) × 86400 segundos. [18] La diferencia de escala L B ha sido definida por la IAU como exactamente 1.550519768e-08. [17]
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 es aproximadamente 24 horas de tiempo medio. Debido a que la órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica, y debido a la oblicuidad del eje de la Tierra en relación con el 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 durante unas pocas semanas, hay diferencias tan grandes como 16 minutos entre el tiempo solar aparente y el tiempo solar medio (ver Ecuación del tiempo ). Sin embargo, estas variaciones se cancelan a lo largo de un año. También hay otras perturbaciones como el bamboleo de la Tierra, pero estas son inferiores a un segundo por año.
El tiempo sideral es el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta con respecto a las estrellas, aproximadamente 23 horas 56 minutos 4 segundos. Un día solar medio es unos 3 minutos 56 segundos más largo que un día sideral medio, o 1 ⁄ 366 más que un día sideral medio. En astronomía , el tiempo sideral se utiliza 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 estrellas "fijas" podían medirse y reducirse con mayor precisión que las observaciones del Sol (a pesar de la necesidad de realizar 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. [19] En tiempos pasados, antes de la distribución de señales horarias precisas, era parte del trabajo rutinario en cualquier observatorio observar los tiempos siderales del tránsito meridiano de "estrellas reloj" seleccionadas (de posición y movimiento bien conocidos), y utilizarlos para corregir los relojes del observatorio que funcionan con el tiempo sideral medio local; pero hoy en día el tiempo sideral local generalmente se genera 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 elipticidad de la órbita de la Tierra y la oblicuidad del ecuador y el eje polar de la Tierra 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 a partir de las observaciones del meridiano 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 el Meridiano de Greenwich . GMT, ya sea con ese nombre o como "hora media en Greenwich", solía ser un estándar de horario internacional, pero ya no lo es; inicialmente se le cambió el nombre en 1928 a Hora Universal (UT) (en parte como resultado de las ambigüedades que surgieron a partir del cambio de práctica de comenzar el día astronómico a medianoche en lugar de mediodía, adoptado a partir del 1 de enero de 1925). UT1 sigue siendo en realidad la hora media en Greenwich. Hoy, GMT es una zona horaria , pero sigue siendo la hora legal en el Reino Unido en invierno (y con un ajuste de una hora para el horario de verano). Sin embargo, el Tiempo Universal Coordinado (UTC) (una escala de tiempo basada en átomos que siempre se mantiene dentro de 0,9 segundos de UT1) es de uso común en el Reino Unido, y el nombre GMT se utiliza a menudo para referirse a él. (Véase los artículos Greenwich Mean Time , Universal Time , Coordinated Universal Time y las fuentes que citan).
Se han definido versiones del Tiempo Universal como UT0 y UT2, pero ya no se utilizan. [21] [22]
El tiempo de efemérides (ET) y sus escalas de tiempo sucesoras descritas a continuación han sido todas ellas concebidas 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. Algunas de estas normas son ejemplos de escalas de tiempo dinámicas y/o de escalas de tiempo de coordenadas . El tiempo de efemérides fue, desde 1952 hasta 1976, una norma oficial de escala de tiempo de la Unión Astronómica Internacional ; era una escala de tiempo dinámica basada en el movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol, del que se derivaba el segundo de efemérides como una fracción definida del año tropical. Este segundo de efemérides fue la norma para el segundo del SI desde 1956 hasta 1967, y también fue la fuente para la calibración del reloj atómico de cesio ; su longitud se ha duplicado con exactitud, con una precisión de 1 parte en 10 10 , en el tamaño del actual segundo del SI 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 . Se utilizó para los almanaques oficiales y las efemérides planetarias desde 1960 hasta 1983, y fue reemplazado en los almanaques oficiales de 1984 en adelante por el Jet Propulsion Laboratory Development Ephemeris DE200 numéricamente integrado (basado en la escala de tiempo de coordenadas relativista T eph ).
Para las aplicaciones en la superficie de la Tierra, el sustituto oficial del ET fue el Tiempo Dinámico Terrestre (TDT), que mantuvo su continuidad. El TDT es una escala de tiempo atómico uniforme, cuya unidad es el segundo del SI. El TDT está vinculado en su velocidad al segundo del SI, al igual que el Tiempo Atómico Internacional (TAI), pero debido a que el TAI se definió de manera algo arbitraria en sus inicios en 1958 para que fuera inicialmente igual a una versión refinada del UT, el TDT se desplazó del TAI en una constante de 32,184 segundos. La diferencia proporcionó una continuidad entre el Tiempo de Efemérides y el TDT. Desde entonces, el TDT se ha redefinido como Tiempo Terrestre (TT).
Para el cálculo de las efemérides, se recomendó oficialmente el Tiempo Dinámico Baricéntrico (TDB) para reemplazar al ET. El TDB es similar al TDT pero incluye correcciones relativistas que mueven el origen al baricentro, por lo tanto es un tiempo dinámico en el baricentro. [25] El TDB difiere del TT solo en términos periódicos. La diferencia es como máximo de 2 milisegundos. Se encontraron deficiencias en la definición del TDB (aunque no afectaron a T eph ), y el TDB ha sido reemplazado por el Tiempo de Coordenadas Baricéntricas (TCB) y el Tiempo de Coordenadas Geocéntricas (TCG), y redefinido para ser el argumento de tiempo de efemérides del JPL T eph , una transformación lineal fija específica del TCB. Como se define, el TCB (como se observa desde la superficie de la Tierra) es de tasa divergente en relación con todo ET, T eph y TDT/TT; [26] y lo mismo es cierto, en menor medida, del TCG. Las efemérides del Sol, la Luna y los planetas en uso actual generalizado y oficial siguen siendo las calculadas en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (actualizadas a partir de 2003 a DE405 ) utilizando como argumento T eph .
La hora GPS se ajusta automáticamente a UTC(USNO) a diario 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.
Actualmente, UT2 se considera obsoleto.