¿Sabías que..?Número 22

…el segundo intercalar va a dejar de ser implementado?

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Héctor Esteban1
Dolores del Campo 2
1 Real Instituto y Observatorio de la Armada
2Centro Español de Metrología

Antes de los años sesenta del siglo pasado, la unidad de tiempo, el segundo, se definía a partir del movimiento de la tierra. Pero este movimiento es irregular, por ejemplo, la Tierra no sólo gira ¡también tiembla y se tambalea!. Estos efectos pudieron constatarse por primera vez a principios del siglo XX con el desarrollo de los relojes de péndulo libres (eléctricos y cuyo péndulo se movía en una cámara de vacío), y que ofrecían variaciones máximas diarias de unos pocos milisegundos.

Este sistema cambia significativamente en 1955 con el desarrollo del primer reloj atómico de cesio (Cs), que lleva a cabo la medición del tiempo respecto de una referencia atómica, es decir, a partir de una característica fija e inmutable de la materia, en lugar de una observación astronómica. Tan solo ocho años después, en 1967, se redefine el segundo en términos de una transición atómica del 133Cs, que permanece vigente en la actualidad. 

Esto tuvo como consecuencia directa la creación en 1971 del Tiempo Atómico Internacional (TAI) que, básicamente, integra o suma segundos generados por los diferentes relojes atómicos disponibles en el mundo. 

No obstante, la escala de Tiempo Universal (UT1), basada en el tiempo solar medio referido al meridiano de Greenwich y ligada a la rotación terrestre, sigue estando muy presente en nuestros días, ya que es necesaria tanto en la astronomía como en la navegación, para poder calcular la posición mediante cuerpos celestes. 

La escala UTC y los segundos intercalares

Y así surge la escala de Tiempo Universal Coordinado (UTC), como escala híbrida entre ambas escalas y cuya marcha viene definida por el TAI, por lo tanto, tiene la misma unidad, el segundo del Sistema Internacional de Unidades (SI), pero su comportamiento a largo plazo está condicionado por la escala UT1, de tal forma que se le obliga a no diferir de ésta en más de 0,9 segundos.

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) de París, es el organismo internacional encargado de coordinar la metrología a nivel mundial y de elaborar las escalas TAI y UTC, a partir de las lecturas de más de 450 relojes atómicos distribuidos entre unos 80 laboratorios e instituciones de todo el mundo.

Cuando la diferencia entre UTC y UT1 se aproxima a las nueve décimas de segundo, se reduce este valor mediante la inclusión o sustracción de un segundo intercalar. Estos segundos se iniciaron en 1972 y se introducen preferentemente los días 30 de junio o 31 de diciembre, aunque si fuese necesario se podría recurrir a cualquier otro mes. La responsabilidad de su inserción recae en el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra y Sistemas de Referencia (IERS), que es el organismo encargado de medir y predecir, entre otros valores, la rotación de la Tierra.  Su determinación se anuncia en el Boletín C del IERS, que se publica semestralmente.

La secuencia de su implementación sobre la escala UTC sería la siguiente:

Segundo Intercalar positivo
(se añade un segundo)
Segundo Intercalar negativo
(se elimina un segundo)
Día 123:59:5923:59:57
Día 123:59:6023:59:58
Día 200:00:0000:00:00

Causas de la variación de rotación de la Tierra

Como se está observando en la actualidad, la rotación terrestre no tiene una velocidad constante, sino que se ve afectada de muchísimos factores interrelacionados entre sí, cada uno con un peso específico asociado. Entre estos, cabe reseñar:

  • Cambios atmosféricos.
  • Deshielo de los casquetes polares.
  • Cambios en la circulación oceánica.
  • Interacción entre el núcleo y el manto de la Tierra.
  • Solidificación del núcleo externo de la Tierra sobre el interno.
  • Efecto de fricción de marea.

Una gran parte de dichos factores varía de manera aleatoria, por lo que su comportamiento futuro es difícilmente predecible, al menos con los medios con los que contamos hoy día. 

De entre estos, la fricción de marea es el más significativo y el que va a condicionar la tendencia de largo plazo, ya que genera una desaceleración constante de la velocidad de rotación terrestre. Como se observa en la figura 1, debido a la fuerza gravitatoria de la Luna, se generan dos lóbulos de marea. A medida que la Tierra gira, esas protuberancias de marea se adelantan a la posición de la Luna, generándose una fuerza tangencial que es contrarrestada por el efecto de fricción de marea. Esta interacción provoca, además, que la Luna se aleje de la Tierra a un ritmo de unos 4 centímetros por año.

Figura 1. Efecto de fricción de marea (F), resultante de la atracción gravitatoria (G) de la Luna sobre los lóbulos de marea desplazados por rotación (R) de la Tierra.

Este efecto, aunque pueda resultar extraño, es el causante de la rotación síncrona de la Luna, es decir, de que siempre veamos la misma cara de la Luna, al tardar lo mismo en girar sobre sí misma que en dar una vuelta alrededor de la Tierra. De hecho, gran parte de los satélites naturales del sistema solar están en rotación síncrona en torno a sus planetas, incluso Mercurio también presenta esta característica respecto al Sol.

Implicaciones de la inserción de segundos intercalares

En los últimos años la introducción de los segundos intercalares en la escala UTC ha sido cuestionada por usuarios de varios sectores. Por ejemplo, la mayoría de los relojes y, especialmente, los digitales, no pueden representar la hora “23:59:60”. Además, algunos sistemas informáticos y dispositivos no están diseñados para manejar segundos intercalares, como los basados en sistemas operativos Unix, por lo que acaban repitiendo las etiquetas de tiempo. También conlleva un alto coste económico derivado de la actualización software y la comprobación de dispositivos, complica la planificación a largo plazo de los sistemas de navegación y las misiones espaciales, y puede originar un buen número de problemas técnicos y de seguridad en todos los sistemas que dependen del tiempo exacto.

Estas y otras dificultades han llevado a algunas comunidades a idear procedimientos ad hoc que no son coherentes con la implementación acordada del segundo intercalar.

Este problema de la discontinuidad de la escala UTC fue detectado inicialmente por los diseñadores de los sistemas de navegación global por satélite (GNSS) que decidieron, a excepción del sistema ruso GLONASS, desarrollar sistemas que ignoraban el segundo intercalar para evitar riegos de fallos durante su implementación. Por tanto, las escalas de tiempo GNSS discrepan entre ellas en un número entero de segundos. El problema es que estas escalas, gracias a su accesibilidad, se están usando como referencia a nivel mundial, con los consiguientes problemas de confusión entre usuarios y el riesgo potencial de errores en la sincronización.

Además, la creciente importancia de los sistemas de tiempo digital y la posible interrupción de infraestructuras críticas han llevado al desarrollo de varios procedimientos de corrección alternativos a la inserción de segundos intercalares. Por ejemplo, Google, Meta, Amazon, etc., ralentizan sus relojes 1 s en un intervalo de tiempo de 24 horas centrado en el instante de inserción del segundo intercalar, evitando de este modo la repetición de etiquetas de tiempo, pero a costa de cometer un error máximo de 0,5 s durante ese día.

Como se ilustra en la figura 2, el panorama actual parece bastante estable, ya que hay que remontarse a diciembre de 2016 para rememorar la última inserción de un segundo intercalar. Incluso se aprecia un cambio notable en la tendencia durante el último año, debido a un incremento en la velocidad de rotación de la Tierra, lo que podría conllevar la implementación de un segundo intercalar negativo (que como hemos visto, pasa directamente de la lectura 23:59:58 a 00:00:00), algo que nunca ha sido probado de forma global, y cuyas implicaciones para nuestros sistemas informáticos serían imprevisibles y preocupantes, con un alto coste económico.

Figura 2. Diferencia en segundos de UT1 respecto de UTC.

Pero como veremos a continuación, este comportamiento tan estable o incluso de cambio de tendencia, se podría explicar como un proceso de corto o medio plazo encuadrado sobre uno dominante de largo plazo, y que conduce inexorablemente a una disminución de la velocidad de la rotación terrestre.    

Componente secular de la rotación terrestre

Se estima que la velocidad de rotación de la Tierra está disminuyendo a un ritmo promedio de 1,4 ms por siglo, en gran medida debido al efecto de fricción de marea. Algo que a priori podría parecer de escasa entidad e incluso despreciable a efectos de cálculo. No obstante, hay que tener en cuenta que la duración del segundo SI, se hizo coincidir con el segundo de Efemérides (basado de forma teórica en la duración del año trópico de 1900, pero en la práctica a partir de observaciones realizadas a mediados del siglo XIX). Llegamos así a la conclusión de que en la actualidad el día es 2,7 ms más largo de lo que era en 1830, lo que implica una variación de aproximadamente 1 s por año (0,002 7 x 365 ≈ 0,99 s), y esta es la razón por la que se ha venido efectuando la inserción de un segundo intercalar de manera más o menos regular cada año aproximadamente.

En la figura 3 se presenta la evolución de la escala de tiempo UT1, ligada a la rotación terrestre, respecto de TAI. Como se puede observar esta diferencia sigue un comportamiento parabólico, por lo que solo puede empeorar en el futuro, siendo sus efectos cada vez más evidentes. 

Figura 3. Diferencia en segundos de la escala TAI respecto de UT1.

Figura 4. Número de segundos intercales que habría que añadir por año.

En la figura 4 se presenta el número de segundos intercalares que habría que incluir cada año para mantener la diferencia entre UT1 y UTC por debajo de 0,9 s. De este modo, si bien actualmente corresponde únicamente un segundo intercalar, dentro de 200 años habría que insertar 2 s cada año, dentro de 400 años 3 s, etc., lo que sería del todo desaconsejable y complejo de implementar.

Hasta cuándo se seguirá aplicando.

La implementación del segundo intercalar es prácticamente inapreciable en nuestra vida diaria, pero hay que tener en cuenta que el tiempo exacto es fundamental en todos los países para la correcta sincronización de los sistemas de información y comunicación. La resiliencia de la sincronización del tiempo es crucial para muchos aspectos relacionados con la infraestructura nacional crítica, como de las telecomunicaciones, la distribución de energía y las transacciones financieras. También es esencial para aplicaciones de posicionamiento basadas en sistemas de navegación por satélite.

Históricamente se ha venido ligando la escala UTC al tiempo astronómico, en gran medida para satisfacer las necesidades del navegante, que precisa conocer el tiempo UT1 para poder situarse en la mar por medio de los astros.  Sin embargo, con la llegada de los sistemas GNSS, estas necesidades prácticamente han desaparecido.

En consecuencia, la 27ª Conferencia General de Pesas y Medidas en su última reunión celebrada en noviembre de 2022 ha decidido tomar las medidas necesarias para modernizar este método de corrección. Por un lado, se ha decidido no volver a introducir ningún segundo intercalar en la UTC a partir de 2035, mientras tanto, los expertos estudian un valor máximo para la diferencia (UT1-UTC) que permita asegurar la continuidad de la UTC durante al menos un siglo, y también, cómo implementar esta corrección.

Curiosamente, la decisión final todavía no está tomada, resta la aprobación del Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R), organismo que tiene la responsabilidad de la diseminación de las señales de tiempo. Se espera un resultado favorable a la supresión, pero habrá que esperar hasta la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones (CMR-23) prevista del 20 de noviembre al 15 de diciembre de 2023.

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…los prefijos SI para múltiplos y submúltiplos de unidades de medida se establecen siguiendo una lógica?

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