Huipputarkat atomikellot ympäri maailmaa mittaavat aikaa tarkasti ja pysyvät oikeassa ajassa käytännössä lähes ikuisesti. Siitä huolimatta näiden atomikellojen ylläpitämään viralliseen maailman aikaan joudutaan lisäämään toisinaan sekunti.
Syynä on maapallon vaihteleva pyörimisnopeus, jolloin atomikellojen mittaama aika hitaasti eriytyy maan pyörimisliikkeen ajasta.
Koordinoituun yleisaikaan (UTC) on toistaiseksi lisätty sekunti 27 kertaa sen jälkeen, kun Kansainvälinen televiestintäliitto (ITU) määritteli karkaussekunnin vuonna 1972.
Karkaussekuntien lisääminen sai aikaan vakavia ongelmia maailman tietokone- ja tietoliikennejärjestelmiin. Tästä syystä ylimääräisten sekuntien lisääminen päätettiin lopettaa sadaksi vuodeksi, kunnes tiedemiehet keksivät paremman ratkaisun.
Nyt asiaa aiotaan pohtia jälleen ITU:n järjestämässä maailman radiokonferenssissa, joka alkaa 20. marraskuuta Dubaissa. New York Timesin mukaan yhdeksi ratkaisuksi on ehdotettu karkausminuuttia, joka antaisi pidemmän rauhan päivitysten välille.
Atomiaika korvasi Auringon ajannäyttäjänä
1950-luvulla keksityillä supertarkoilla atomikelloilla havaittiin, että maapallon pyörimisliike ei pysy vakiona, vaan se välillä hidastuu ja välillä nopeutuu.
Tämä havainto loi uuden aikajärjestelmän, atomiajan, joka syrjäytti vuosituhansien ajan mittarina toimineen Auringon. Vuonna 1967 sekunti määriteltiin uudestaan atomikellon avulla ja sen kesto sidottiin cesiumatomin värähtelyyn.
Samalla nimettiin atomikelloihin perustuva UTC (englanniksi Coordinated Universal Time) eli koordinoitu yleisaika. Se on ensisijainen aikajärjestelmä, jolla maailman aika määrätään.
Karkaussekunti korjaa eron maapallon pyörimisvauhtiin
Koska maapallon pyörimistahti vaihtelee eikä vuorokaudessa ole tarkalleen 24:ää tuntia atomiaikaa, atomikellojen mittaama koordinoitu yleisaika UTC eriytyy jatkuvasti Maan pyörimistahdin mukaisesta yleisajasta.
Eriytyminen on kuitenkin hyvin hidasta, ja viime aikoina se on ollut 1-2 tuhannesosasekuntia vuorokaudessa. Jos eriytyminen jatkuisi pysyvästi tällä tahdilla, ero kasvaisi sekunniksi vasta 500–1 000 päivässä.
Eriytymistä korjaamaan tarvitaan karkaussekunteja, joiden lisäämisestä päättää International Earth Rotation and Reference Systems Service -järjestö eli IERS.
Viimeksi karkaussekunti on lisätty vuoden 2016 viimeisen päivän viimeiseen minuuttiin.
Karkaussekunnit tärkeitä huipputarkoille kelloille
Vaikka karkaussekunnit ovat ihmiselle melko merkityksettömiä, ovat maailmanlaajuiset tietoverkot ja satelliittiyhteydet yhä riippuvaisempia äärimmäisen tarkasta ajasta.
Muun muassa GPS-paikannussatelliitit hyödyntävät atomikelloja. Niiden on lähetettävä tarkasti synkronoituja signaaleja, jotta vastaanottimet maan pinnalla voivat laskea kohteen tarkan sijainnin.
Myös useiden tietokonejärjestelmien käytössä tarvitaan hyvin tarkkaa aikaa. Esimerkiksi internetissä tieto liikkuu ympäri maailmaa pienissä erillisissä paketeissa, jotka myöhemmin yhdistetään mikrosekunneissa niin, että niistä muodostuu kokonaisuus, kuten verkkosivu.
Epäsäännöllisyys ja arvaamattomuus luovat ongelmia
Karkaussekunnin hallinta on vaikeutunut jatkuvasti. Nykyaikaiset globaalit tietojärjestelmät ovat kietoutuneet yhä tiiviimmin toisiinsa ja ovat riippuvaisempia erittäin tarkasta ajoituksesta, joskus jopa sekunnin miljardisosaan asti.
Ylimääräisen sekunnin lisääminen lisää riskiä, että tietoliikenneverkoista, energiansiirrosta, rahoitustoimista ja muista elintärkeistä toimista vastaavat järjestelmät kaatuvat tai eivät synkronoidu.
Esimerkiksi vuonna 2012 karkaussekunnin lisääminen kaatoi useita verkkosivustoja ja jumiutti lentoyhtiö Qantasin koko tietojärjestelmän.
Koska maapallon pyörimistä on vaikea ennustaa, uuden karkaussekunnin tarpeen epäsäännöllisyys ja arvaamattomuus luo jatkuvasti painetta uusille ongelmille.
Jos joskus tulevaisuudessa Maan pyöriminen nopeutuisi, olisi mahdollista että karkaussekunti pitäisi myös poistaa. On epäselvää, ovatko nykyiset it-järjestelmät valmiita tähän.
Karkaussekunnista luovuttiin sadaksi vuodeksi – ainoastaan Venäjä vastusti
Näistä syistä Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto (BIPM) äänesti lähes yksimielisesti viime vuonna, että karkaussekunteja ei enää lisättäisi sataan vuoteen. Muutos tulisi voimaan vuonna 2035 ja kestäisi vuoteen 2135.
Päätöksen olettamana on, että tämän sadan vuoden aikana tiedemiehet keksisivät turvallisemman tavan synkronisoida atomikellojen ja auringon kierron välillä.
Useimmat ihmiset eivät tulisi huomaamaan mitään, sillä aikaero näiden kahden ajan välillä voisi kasvaa noin minuutin mittaiseksi sadassa vuodessa.
Ainoastaan Venäjä äänesti päätöslauselmaa vastaan. Venäjä on pitkään pyrkinyt lykkäämään karkaussekunnista luopumista, koska sen globaali GLONASS-navigointisatelliittijärjestelmä on rakennettu ottamaan huomioon karkaussekunnit, toisin kuin muut järjestelmät, kuten GPS, jota operoi Yhdysvallat.
”Rentoudutaan hieman” – karkaussekunnin tilalle karkausminuutti?
Ennen Dubaissa järjestettävää Maailman radiokonferenssia Yhdysvaltain standardisointi- ja teknologiainstituutin (NIST) verkkosynkronointiprojektin johtaja Judah Levine on tehnyt uuden ehdotuksen, joka on saanut laajaa kannatusta aikaa mittaavien tutkijoiden keskuudessa.
Levinen ajatuksena olisi synkronoida kelloja harvemmin, ehkä puolen vuosisadan välein tai antaa atomiajan poiketa tähtitieteellisestä ajasta karkausminuutin.
– Meidän kaikkien täytyy rentoutua hieman, hän kertoo New York Timesille.
Jotta ehdotus menisi läpi Dubain konferenssissa, sen täytyisi saada yksimielinen kannatus kaikilta osallistuvilta mailta. Myös venäjältä.
Suomen virallista aikaa mitataan atomikellolla Espoon Otaniemessä
Suomessa kansallisen ajan ylläpitäminen kuuluu VTT MIKESin eli Teknologian tutkimuskeskus VTT:n yhteydessä toimivan kansallisen metrologialaitoksen tehtäviin.
Espoon Otaniemessä toimivalla aikalaboratoriolla Suomi osallistuu omien atomikellojensa avulla osaltaan myös maailmanajan ylläpitämiseen, niin kuin noin 80–90 metrologian laboratoriota eri puolilta maailmaa.
– Tyypillisesti käytetään kolmen kuukauden historiallista dataa ja verrataan, miten Suomen aika on käyttäytynyt suhteessa laskennalliseen UTC-aikaan, kertoo VTT:n Erikoistutkija Anders Wallin.
Wallinin mukaan karkaussekuntien lisääminen on enemmän tietotekninen ongelma, eikä aiheuta ongelmia itse VTT:n aikalaboratorioon tai heidän atomikelloihinsa.
Kuuntele podcast: Tiedeykkönen – Atomikellot tikittävät tarkkaa aikaa – pörssi, sähköverkot ja satelliittipaikantaminen tarvitsevat sitä