Zmiana czasu w Polsce: W jakim celu przestawiamy zegarki i skąd wiemy która jest godzina?

Kiedyś kojarzono zmianę czasu z oszczędnościami energii, na początku chodziło nawet o ilość wypalanych świec, następnie wykorzystanej energii elektrycznej. To oczywiste, gdyż zmiana czasu na czas letni powoduje wydłużenie dnia, kiedy operuje światło słoneczne. Skoro wstajemy kiedy i tak jest widno, to dodatkowa godzina po południu rzeczywiście może ograniczyć nasze zużycie prądu. Ale to nie jedyne plusy takiego działania. Dzięki zmianie dłużej przebywamy na świeżym powietrzu korzystając z promieni słonecznych co polepsza samopoczucie, ale wiąże się też z wzmożoną z aktywnością fizyczną, uprawianiem sportu, ale i zwiększoną konsumpcją co ma wymierne korzyści dla gospodarki.

Co ciekawe zmiana czasu zwiększa również bezpieczeństwo na drogach. Na przełomie lat 60-ych i 70-ych XX w. w Wielkiej Brytanii przeprowadzono eksperyment, mający na celu na kilka lat rezygnację ze zmiany czasu. Po tym fakcie okazało się, że czas letni zauważalnie wpływał na bezpieczeństwo pieszych i kierowców poprzez o kilkanaście procent niższą liczbę wypadków, niż w okresach bez wprowadzonego czasu letniego. Skoro czas letni jest taki dobry to czy nie powinien trwać cały rok?

- Zależy to od położenia geograficznego konkretnego kraju. W Polsce gdyby nie następowała zmiana na tzw. czas zimowy, widno robiłoby się ok. godz 9.00, a zmrok zapadałby ok. 17.00. Trzeba jednak zauważyć, że w polskiej kulturze godziny pracy urzędów, szkół zaczynają się od godz. 8.00. Dlaczego? Ten cykl pracy dopasował się sam do naturalnego światła, a więc brak takiej zmiany mógłby mieć negatywny wpływ na funkcjonowanie społeczeństwa. Innymi słowy wstawalibyśmy „w nocy”, nasze dzieci szły by do szkoły w „nocy”. Zmianę czasu chwali sobie także np. branża budowlana, która może wcześniej zaczynać pracę. Zamiast zmieniać godziny pracy szkół, urzędów, instytucji czy firm o godzinę co pół roku, taniej i skuteczniej jest zmieniać czas. - wyjaśnia dr Albin Czubla, kierownik Laboratorium Czasu i Częstotliwości w Głównym Urzędzie Miar.

Warto dodać, że w czasie II Wojny Światowej alianci zachodni (USA i UK) posiadały na czas wojny niezmieniany przez kilka lat czas, tzw. War Time, przyjmując na stałe czas letni - właśnie w ramach oszczędności tak potrzebnej wtedy energii jak i dla synchronizacji działań wojennych. Od razu nasuwa się proste pytanie, czy w Polsce przed II WŚ zmienialiśmy czas? Niemcy zaatakowały Polskę o godzinie 4.45… o świcie, ale jak można sprawdzić w kalendarzu astronomicznym w czasie letnim w Polsce słońce wstaje wtedy średnio między godz. 5.30- 6.00. Tym samym odpowiedź nasuwa się sama, przed 1939 rokiem czasu letniego w Polsce nie było.

Wracają do czasów teraźniejszych, całe południe Europy również wybiera czas letni nie tylko ze względów oszczędnościowych, ale także z powodu… chłodniejszego poranka. Jest również hipoteza, że Amerykanie, którzy także stosują czas letni, moment jego przesunięcia zmienili na pierwszą niedzielę listopada ze względu na Halloween, tak aby imprezy związane z tym dniem dłużej odbywały się w dużej mierze przed zmrokiem.

Ciekawym przypadkiem są Francuzi, którzy mają tą samą strefę czasową jak Polska, choć powinni korzystać ze strefy czasowej UTC 0… która jest w Wielkiej Brytanii do strefy której jest im bliżej, niż do naszej. Niechęć do posiadania tego samego czasu co Brytyjczycy powoduje, że pomimo zmiany czasu na czas letni, Francuzi rozpoczynają pracę w urzędach czy szkołach o godzinę później, czyli o 9.00.

Są jednak buntownicy, którzy nie wprowadzają czasu letniego. Jednym z takich krajów jest Japonia. Pierwszy powód to taki, że czas letni narzucili Japonii po II WŚ okupanci czyli USA. W późniejszym okresie wpływ na to miały protesty ministra rolnictwa, który stwierdził, że to zaburza pracę w hodowli zwierząt, oraz minister szkolnictwa – który zauważył, że czas letni odciąga uczniów od nauki. Warto dodać, że czasu letniego w Europie nie wprowadza Islandia.

Dlaczego zmieniamy czas w nocy z godziny na 2 na 3 i odwrotnie? Jest to oczywiście związane z koniecznością ochrony przed zakłóceniem funkcjonowania państwa. Zmiana czasu w ciągu dnia mogłaby zaburzyć działanie instytucji, firm, społeczeństwa. Zmiana czasu w systemach informatycznych następuje automatycznie, gdyż dla informatyki nie ma to szczególnego znaczenia. Dodatkowo w Europie dzięki dyrektywie unijnej z 1997 roku wszystkie kraje zmieniają czas jednocześnie.

Podsumowując poza wymiernymi korzyściami dla gospodarki lepsze dopasowanie do światła dnia wpływa na nasze zdrowie i samopoczucie, dlatego zmiana czasu jest tak ważna. Aby zmienić czas, należy go jednak zmierzyć.

Która godzina? Zegar atomowy odpowie z dokładnością do nanosekundy

Zegar atomowy to rodzaj zegara, którego działanie opiera się w dużym uproszczeniu na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Wbrew pozorom dla laików działanie takiego urządzenia jest mocno skomplikowane. Jednym z głównych elementów pracy zegara jest tuba cezowa. Drugim jest kryształ kwarcu który drga z częstotliwością 5 MHz.

- W tubie cezowej jest próżnia. Atomy cezu, dzięki sygnałowi z kwarcu powielonemu do odpowiedniej częstotliwości mikrofalowej, mogą przejść do stanu energii wyższej, po czym następuje detekcja: czy przeszły, czy nie. Na zasadzie rezonansu jest weryfikowana częstotliwość kwarcu. Atomy cezu pilnują częstotliwości kwarcu tak, żeby uzyskać na poziomie drgań mechanicznych kryształu kwarcu stabilność równą przejściom kwantowym. To pozwala na utrzymanie dokładności, a właściwie stabilności zegara atomowego na poziomie 1 sekundy na 2-3 mln lat. O tyle zegar może się pomylić. W tubie cezowej mamy 9 gram cezu (nie jest to cez promieniotwórczy), co wystarcza na ok. 9 lat ciągłej pracy. Źródło cezu jest podgrzewane, następnie atomy cezu są jonizowane, rozpędzane, dejonizowane i te, które mają energię niższą, są kierowane do wnęki rezonansowej. Jeśli jest dobra częstotliwość kwarcu to jest też dobra częstotliwość mikrofalowa i dużo atomów cezu przechodzi do stanu wyższego. To pozwala na odmierzanie czasu z dokładnością do nanosekund – tłumaczy ekspert kierujący Laboratorium Czasu i Częstotliwości.

W ten sposób czas liczony na podstawie zegara atomowego jest w Polsce od ponad 40 lat, choć jego historia jest dłuższa. Atomowa skala czasu w sposób ciągły liczona jest od roku 1954. Dokładne odmierzanie czasu miało ogromny wpływ na rozwój nawigacji. Pomiar czasu umożliwił wyznaczanie długości geograficznej. W XVIII wieku pojawił się zegar Harrisona – chronometr morski, który zrewolucjonizował nawigację, ale nadal trudno było o wysoką dokładność. Tego rodzaju zegary były powszechnie używane w nawigacji morskiej jeszcze w XX w.

Kluczowym zatem było, aby czas atomowy koordynować z czasem słonecznym. I przyjęto czas UTC (Uniwersalny Czas Koordynowany) a w 1972 roku oficjalnie wprowadzono go jako podstawę do wyznaczania czasu urzędowego w poszczególnych krajach. My dodajemy do czasu UTC 1 godzinę w okresie zwykłym (zimowym) natomiast w okresie letnim 2 godziny.

Atomowa definicja sekundy w tym roku skończy 49 lat, natomiast zegary atomowe są starsze o ponad 10 lat. Pierwsze zegary atomowe w Polsce w Głównym Urzędzie Miar to był rok 1972. W tamtych zegarach można powiedzieć że walczono o 10te części milisekund potem już o mikrosekundy, teraz mamy poziom nanosekund a będziemy wkrótce posługiwać się ułamkami nanosekund.

W ciągu 10 lat stabilność takich zegarów poprawia się o jeden rząd wielkości. Są dwa powody ciągłego zwiększania dokładności zegarów atomowych. Pierwszy to zapewnienie powiązania jednostki miary z wszelkimi zastosowaniami w dziedzinie pomiarów czasu, częstotliwości i do prac naukowych. Drugi ważny aspekt ma zastosowanie w synchronizacji w telekomunikacji i to nie zmienia się od niemal 100 lat.

- Również w okresie międzywojennym największe wymogi miała telekomunikacja. Do utrzymywania synchronizacji systemów telekomunikacyjnych stosowano wówczas m.in. zegary mechaniczne o napędzie elektrycznym – tzw. zegary kamertonowe. Kamerton w takim zegarze drgał ze stałą częstotliwością i poruszał mechanizm, który zliczał drgania, i w ten sposób można było porównać jego częstotliwość z pracą zegara mechanicznego. W tej chwili telekomunikacja też wymaga dokładnej synchronizacji. W zasadzie zegary atomowe mające poziom dokładności 1x10-12 (czyli możliwość pomyłki o 1 sekundę na 20-30 tysięcy lat), stosowane są tylko dla potrzeb komunikacyjnych, ale to umożliwia aby można było prowadzić jednocześnie dziesiątki rozmów na tym samym łączu - dodaje dr Albin Czubla.

W przeszłości i dzisiaj brak synchronizacji oznacza bowiem zrywane połączenia, błędy w transmisji lub przełączenia na inną osobę niż ta, z którą chcieliśmy porozmawiać. Zatem od zmierzonego dokładnie czasu zależy, kogo usłyszymy w słuchawce. W tej chwili jednym światłowodem może iść tysiące rozmów, każdy chce mieć jak najszybszy internet, a to wymaga dużej przepustowości. Im dokładniejsza jest częstotliwość, tym możemy przesłać tym samym kanałem więcej informacji/danych. Telekomunikacja jest zatem głównym odbiorcą dokładnego pomiaru czasu, ale nie jedynym.

Systemy giełdowe, systemy bankowe czyli czas to pieniądz

GUM w pracowni pomiarów czasu i częstotliwości porównuje wskazania z wielu zegarów atomowych, gdyż nie ma dwóch identycznych zegarów atomowych taka samo pracujących, nawet jeśli zostaną zbudowane przez tą samą firmę, z tym samych części, pod tym samym rygorem to nadal jest to coś niepowtarzalnego.

W GUM są obecnie trzy pracujące zegary atomowe, w Polsce są jeszcze m.in zegary atomowe w Instytucie Łączności, w Orange Polska , w Centrum Badań Kosmicznych, w Metrologii Wojskowej i te zegary są porównywane non stop z wyznaczaną w GUM skalą czasu UTC(PL). Zegary GUM razem z systemami do ich porównań tworzą państwowy wzorzec jednostek miar czasu i częstotliwości.

- Nasze pomiary względem UTC(PL) są włączone w system porównań międzynarodowych, czyli są porównywane z podobnymi zegarami, które maja Niemcy, Rosjanie, Francuzi , Amerykanie. Co miesiąc wysyłane są dane pomiarowe do Międzynarodowego Biura Miar, które w oparciu o te wszystkie zegary ocenia ich pracę, koryguje je obliczeniowo. Następnie sprawdza ich stabilność, czy działają w sposób przewidywalny / prognozowalny. Jeśli nie, ocenia się je jako słabsze. Jeśli są lepiej prognozowane to dostaje ocenę wyższą. Każdy zegar dostaje wagę i z pośród tych zegarów z całego świata liczona jest średnia ważona. I dopiero ta średnia ważona tworzy międzynarodową atomową skalą czasu , która daje nam poprawki do naszej krajowej skali czasu UTC(PL), a my już możemy tę poprawkę przenieść na poszczególne zegary w Polsce – tłumaczy dr Albin Czubla.

Zatem zegary atomowe są powiązane systemem międzynarodowym i biorą udział na równych zasadach w systemie, ale zegary bardziej dokładne i stabilne otrzymują lepsze wagi, zegary mniej stabilne – słabsze. Z polskimi zegarami jest różnie, ale od momentu pojawienia się nowszych zegarów na świecie, tego rodzaju zegary otrzymują niższe noty, dlatego tak ważne jest aby pozyskać nowsze urządzenia.

Dodajmy, że Polsce mamy zegary komercyjne, które można kupić w miarę łatwo na rynku. Cena takiego zegara to ok., 430 tys. złotych. Są też zegary laboratoryjne, tzw fontanny cezowe, które pracują ze schłodzonymi atomami cezu, które pozwalają na jeszcze większa dokładność. Fontanny cezowe czy rubidowe pozwalają jeszcze dokładniej potwierdzić powiązanie z definicją sekundy. Wspomniane fontanny budowane są przez zespoły naukowców, m. in. działają w Wielkiej Brytanii, Francji, Niemczech, Rosji, USA czy Japonii. W Polsce nie ma na razie tak zaawansowanych zegarów, ale wkrótce dwie tego typu Fontany zostaną zbudowane również dla naszego kraju i staną w Centrum Badań Kosmicznych i w GUM.

Ciągłość pracy zegarów umożliwia porównywanie zjawisk bardzo odległych od siebie w czasie, pod warunkiem zachowania ciągłości odmierzania skali czasu, czyli można porównać ze sobą np. zjawiska astronomiczne, które działy się wiele lat temu, czy nawet określić czas zajścia odległego wydarzenia historycznego. Innymi słowy można dzięki wyłącznie wiedzy, że w Starożytnym Egipcie zaćmienie Słońca miało miejsce np. w południe, przewidzieć o której godzinie czy minucie miało to miejsce tysiące lat temu.

Dla działania zegara atomowego ma znaczenie jego położenie. Zegar umiejscowiony np. na Rysach będzie „chodził” szybciej, choć nie będzie to nawet sekunda na kilka lat.

Sekunda przestępna, ale nie przestępcza

Ponieważ Ziemia wiruje raz szybciej, raz wolniej to z czasem rośnie różnica między czasem atomowym UTC a średnim czasem słonecznym, a więc do czasu UTC dodaje się tzw. sekundy przestępne (ang. leap second). Raz na jakiś cza mamy dodatkową sekundę, ostatni taki przypadek miał miejsce niemal rok temu, kiedy 30 czerwca 2015 roku, wg czasu UTC, (w Polsce był to już 1 lipca) dzień był dłuższy o 1 sekundę. Czy taka sekunda może zaburzyć funkcjonowanie systemów informatycznych?

Co ciekawe wykorzystanie takiej dodatkowej sekundy w sposób nielegalny nie jest możliwe, ze względu na publikowanie informacji o jej dodaniu. Początek dodatkowej sekundy jest oznaczany numerem 60, czyli po godzinie oznaczonej 23:59 i 59 sek dodana zostaje sekunda, która powinna być oznaczona 23:59:60. Tego niestety nie przewidują systemy informatyczne, powtarzając oznaczenie 23:59:59, co może prowadzić do wielu problemów natury technicznej. Praktyka jest różna, ale w wielu krajach przy dodawaniu tej jednej sekundy systemy są specjalnie blokowane, aby nie móc realizować żadnych transakcji finansowych. Ryzyko może tez pojawić się w przypadku ruchu lotniczego, dlatego systemy zarządzające bezpieczeństwem powinny mieć automatyczne uwzględnianie sekund przestępnych. Od 1956 roku czas UTC zwiększył się o 36 sekund przestępnych.

Z wzorców czasu które są obliczane w GUM korzystają nie tylko banki czy giełda ale także urzędy. Tzw. czas urzędowy synchronizowany dzięki zegarom atomowym pozwala określać kiedy dokładnie wpłynął np. wniosek. Czas ważny jest też przy synchronizacji w systemach światłowodowych, które służą do przesyłania sygnałów wzorcowych do operatorów telekomunikacyjnych. Pomimo, że operatorzy mają swoje zegary atomowe, maja również opcje rezerwową w GUM aby nie stracić owej synchronizacji.

Jeśli ciekawi kogoś, skąd nasz telefon wie, która aktualnie jest godzina, to powiadamy. W oparciu o serwery NTP lub sygnał GPS nadajniki telefonii komórkowej mogą być synchronizowane z dokładnością lepszą niż jedna sekunda. Następnie to telefony pomiędzy nadajnikami synchronizują naszą wskazywaną na wyświetlaczu godzinę.

Dzięki stosowaniu zegarów atomowych coraz trudniej jest zakłócić to co biegnie przez światłowód, ale niestety nadal można to podsłuchać. Jeśli komunikujemy się z czymkolwiek w sposób radiowy np. poprzez Bluetooth, to niestety ten sygnał może być przez kogoś odebrany. Pamiętajmy też, ze światłowód również można podsłuchać np. w przypadku kiedy jest lekko zgięty, to emituje cześć tego co w środku przenosi. Czas natomiast jest możliwy do szyfrowania takich informacji, a im bardziej dokładny jest czas, tym szyfr jest trudniejszy do złamania – to od razu daje odpowiedź, czemu kraje na całym świecie wydaja ogromne pieniądze na coraz dokładniejsze obliczanie czasu.

A co jeśli „nie będzie niczego”?

Co by się stało, jeśli wszystkie zegary atomowe przestały by funkcjonować w Polsce? Po pierwsze tracimy czas urzędowy co jak już wyżej wspominaliśmy, jest szalenie ważne dla polskich urzędów, które synchronizują go z odczytami w serwerach urzędowych GUM. Te dane wykorzystują w systemach obsługi petentów. Mógłby również pojawić się problem np. w wojskowości, w szczególności utrzymanie systemu obsługi samolotów F-16. Nie przez przypadek w bazie wojskowej gdzie stacjonują „polskie jastrzębie” działa również zegar atomowy. Niewątpliwie problem pojawiłby się w telekomunikacji, szczególnie u operatorów światłowodowych. Systemy giełdowe i bankowe w przypadku dezaktywowani polskich wzorców czasu mogą przełączać się na serwery zagraniczne, operatorzy telekomunikacyjni mogliby się przełączyć na rezerwowe systemy GPS, ale z tym GPS nie jest tak różowo…

Jeśli mamy dziś na ziemi dokładność zegarów atomowych na ziemi na poziomie nanosekund powiedzmy 2-3 nanosekundy, to w nawigacji odpowiada to drodze sygnału ok. 1 metra. Synchronizując zegary na satelitach systemu GPS czy innych systemów nawigacyjnych nieco tracimy na dokładności, nawet do 3 metrów. Dodatkowo sygnał dociera z powrotem do ziemi i ta dokładność maleje do poziomu kilku - kilkunastu metrów. Potrzebne są także poprawki relatywistyczne do zegarów atomowych, aby GPS działał właściwie. Dlaczego tak się dzieje?

- Zgodnie z teorią względności w miejscu gdzie krążą satelity systemu GPS jest mniejsza grawitacja czyli czas płynie nieco szybciej, czyli ta sama częstotliwość na ziemi np. 10 MHz, tam jest widziana jako częstotliwość nieco większa, bo tam czas płynie szybciej. Bez tego rodzaju poprawek nasza nawigacja satelitarne, czy pociski naprowadzane systemem GPS nie trafiałyby tam gdzie trzeba, ale np. kilometr dalej - tłumaczy ekspert kierujący Laboratorium Czasu i Częstotliwości.

Prawdziwy Armagedon nastąpiłby jednak w przypadku jednoczesnej dezaktywacji zegarów atomowych oraz systemu GPS. Systemu dodajmy wojskowego, choć udostępnionego dla celów cywilnych. GPS nie jest nam dany raz na zawsze, a dla celów wojskowych może być np. blokowany co robią m. in Amerykanie w obrębie przeprowadzanych działań wojennych.
W takim przypadku zakłócony zostałby cały system transportowy, w tym także lotniczy.

Co ciekawe, Amerykanie rządzą nie tylko światową gospodarką czy polityką zagraniczną ale i czasem na świecie. Obserwatorium Marynarki Wojennej, (USNO – United States Naval Observatory), które jest operatorem GPS posiada kilkadziesiąt zegarów atomowych, które stanowią przynajmniej 30 proc, wag zegarów na świecie. Mają więc spory wpływ na to, która rzeczywiście jest godzina. A to, że przy niej manipulują widoczne było chociażby podczas I wojny w Zatoce.