Високосная секунда⁠⁠

... или, как говорится, не думай о секундах свысока. Недавно попалась новость от 2022-2023 годов, о том что вроде как приняли решение отказаться от так называемой високосной секунды начиная с 2035 года. В русском языке есть несколько названий для этой секунды: секунда координации, дополнительная секунда, високосная секунда (по-английски leap second, то есть "скачущая" секунда). Почитал (и посчитал) всякое разное, и поскольку на Пикабу материалов про эту тему не густо, решил собрать в небольшую статейку то, что накопал. Тех, кто глубоко в теме, сразу прошу - пишите комментарии, исправляйте неточности, тапками сильно не кидайтесь.

Проблематика

До изобретения атомных часов самым стабильным измерителем времени было собственно вращение Земли. Создание атомных часов в 1950-е годы сразу существенно улучшило точность измерения времени, что перевело нашу планету из источника времени в объект измерения. Даже первые версии атомных часов дали стабильность счета времени порядка 1 секунды за 30 лет, см. в статье "History of Atomic Clocks" - stability of 1 part in 10^9 (1955). А вскоре и эта точность была на несколько порядков улучшена (см. ту же статью).

По сути тогда появились две шкалы времени:
1) "историческая" UT (Universal Time), связана с вращением Земли (со "средним солнцем" на гринвичском меридиане); есть несколько разновидностей, измеренная на "земле" - UT0, исправленная на текущее смещение полюса - UT1 (есть ещё пара сглаженных версий - UT1R и UT2, но повсеместно используется UT1);
2) атомная TAI (фр. temps atomique international).

И если ранее определение секунды было привязано к UT (к вращению планеты), то уже в 1967 году приняли новое "атомное" определение: "Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133." Однако всеобщее гражданское время решили от вращения Земли не отрывать, ввели так называемое скоординированное время UTC, которое поначалу плавно подстраивали под долговременный тренд вращения Земли (ползущая коррекция), но потом поняли что неравномерное UTC это неудобно, и с 1972 года скорость хода UTC выровняли со скоростью хода TAI, и ввели новую процедуру подстройки - ровно по 1 секунде, не чаще чем раз в полгода (1 января или 1 июля, с уведомлением о подстройке за несколько месяцев), так чтобы отстройка UTC от UT1 не превышала 0.9 сек по модулю. Судя по таблице из документа, график отстройки TAI-UTC выглядит как-то так (горизонтальный отрезок до 1961 года я добавил волюнтаристски, не знаю что там было):

Как видно, на текущий момент отстройка нашего времени от атомного времени составляет 37 секунд. Как видно, в последние десятилетия скорость вращения Земли немного увеличилась, поэтому секунды координации нужно было вводить не так часто как в 70-е и 90-е гг. Последний раз високосная секунда вводилась 1 января 2017 года, и с тех пор - "опасное" затишье уже в течение 9 лет. Почему "опасное" - за эти 9 лет могли написать разный софт, в котором "позабыли" учесть что в минуте может быть не 60 секунд, и который с недоумением воспримет время вида 23:59:60. Прецеденты уже были, например, в 2012 году "падали" Reddit и софтина авиакомпании Qantas, в 2015 - Twitter, Instagram и Netflix, в 2017 - Cloudflare. Кроме того, поскольку вращение Земли в эти годы локально ускорилось (вопреки глобальному тренду замедления), и возник другого рода риск - не плюс одна, а минус одна секунда коррекции (это когда после 23:59:58 мы переходим сразу к 00:00:00). На следующем рисунке (где синим представлена разница "астрономического" UT1 и "гражданского" UTC) как раз приведены графические рассуждения о том, когда эту минус одну секунду можно было бы ожидать (картинка с сайта института физико-технических и радиотехнических измерений):

На графике (в левой части) видны два резких перескока 2015 и 2017 годов (это две последние високосные секунды). Как видно далее, вращение Земли несколько ускорилось, и после "разворота" в 2020 году первоначальный тренд (красный отрезок) предвещал введение отрицательной високосной секунды в районе 2030 года, теперь же тренд слегка изменился (жёлтый отрезок), и риск отрицательной секунды улетает дальше 2040 года.

Отмена високосной секунды

Очевидное "решение" проблем, связанных с високосными секундами, заключается в том чтобы прекратить практику их введения. Разговоры об этом идут давно, и в различных профильных организациях, в частности ITU-R (разработка стандартов в области радиосвязи, теле- и радиовещания) и BIPM (бюро мер и весов, всё про метрологию), и на их конференциях. И насколько я понял, ключевое решение по отмене високосной секунды уже принято на генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) в ноябре 2022 года (либо это лишь глобальная рекомендация, а окончательное решение будет за другой организацией - ITU). План следующий - до 2035 года вводим секунды коррекции как обычно, а потом - прекращаем на некий неопределённый срок. Причём у некоторых участников есть надежда, что удастся отменить доп.секунды даже до 2035, особенно если риск отрицательной секунды коррекции замаячит до 2035 года (отрицательную секунду специалисты боятся больше чем положительную, поскольку отрицательных не было прежде в истории).

Даже если секунду координации отменят прямо тотчас, остаётся неопределенность, что с этим делать дальше. Все сценарии немного странные: например подождать 100 лет; или подождать пока рассогласование достигнет 1 минуты. И даже если они достигнут этой минуты, механизмы возврата UTC к UT1 всё равно пока отсутствуют. Возможно, никакого возврата уже и не будет, и буква C в аббревиатуре UTC, означающая "коррекцию", станет забавным историческим атавизмом, а сама шкала UTC просто станет TAI с постоянным смещением (на текущий момент смещение, напоминаю, равно -37 секундам).

Последствия отмены

Для компьютерщиков в целом наверно тема позитивная. Это примерно как в России отказались от сезонного перевода стрелок, так и забыли какие это приносило проблемы в прошлом (особенно те, кто пишет относительно простой локальный софт). Так и с этими доп.секундами - появится некая определённость, что после 59м58с точно будет 59м59с, а потом 00м00с.

Для меня, как любителя солнечных часов, всяких аналемм и прочей небесной механики, время UTC потеряет свою объемлющую ценность. Если сейчас я использую UTC для всего (и для быта, и для астрономических расчётов) и понимаю, что с точностью 1 сек всё будет сшиваться (и этого мне достаточно), то после отмены доп.секунд придётся использовать поправочную таблицу ΔUT1 (которая до 2035 года будет внутри 1 секунды, а после - начнёт уползать). Аналеммы постепенно поползут по небу - перестанут быть прибитыми "гвоздями". Солнечные часы начнут привирать, сначала чуток, а потом всё веселее. И кстати, вот только сейчас подумалось - повысится ценность солнечных часов, которые и не пытались показывать гражданское время (особенно с сезонными переводами стрелок), а сразу были спроектированы под местное истинное солнечное время (это когда 12:00 всегда в момент кульминации солнца) - мне всегда казалось это анахронизмом, а теперь вот начал переосмыслять - этот "анахронизм" всегда будет честно показывать где и "во сколько" находится солнце. )

Самое главное - это будет не линейный, а ускоряющийся процесс. Его можно оценить - возьмём увеличение продолжительности суток +1.7мс/столетие, значит если мы в какой-то точке синхронизировались с вращением Земли (наш атомный стандарт), то спустя 100 лет Земля "отстанет" на (1.7/2)/1000×365×100 = 31 сек (это уже примерно и произошло), спустя следующие 100 лет - ещё на (1.7 + 1.7/2)/1000×365×100 = 93 сек, а спустя ещё 100 лет - ещё на 155 сек. Это фундаментальное расхождение нового равномерного атомного времени (от него мы всё равно уже не откажемся) и старого традиционного, а уж в каких поправках мы это будем учитывать - в високосных секундах или в поправках ΔUT1 или как-то ещё иначе - уже не суть важно. Следим дальше. Глядишь, что-нибудь ещё придумают. )