Пора перевести стрелки часов: послание ученым на 2024 год

Без хронометрии невозможно было бы определить конкретные дни и месяцы, точное время полудня или полуночи. От учета времени зависят самые разные структуры — от технологических компаний и спутниковых навигационных систем до вещательных организаций и астрономических служб.

В прошлой статье мы рассказывали, как синхронизируют технику с помощью дополнительных секунд. На всемирной конференции радиосвязи МСЭ (ВКР-23), которая проходила в Дубае с 20 ноября по 15 декабря, обсуждали замену високосной секунды на високосную минуту. И эксперты в очередной раз отложили решение «на потом». Но одно известно точно: рано или поздно от дополнительных секунд нужно будет избавиться. Подробности под катом.

Три шкалы времени: UT1, TAI и UTC

Любое событие можно определить тремя пространственными и одной временной координатами — следовательно, время должно быть нормативно определено и всемирно синхронизировано с высокой точностью. Шкала времени — это, по сути, упорядоченный набор отметок с соответствующей нумерацией.

В настоящее время используют три шкалы времени: UT1 (всемирное время), TAI (международное атомное время) и UTC (всемирное координированное время). Обсудим, в чем между ними разница.

UT1

Всемирное время (UT1) определяют на основе наблюдений за вращением Земли. Оно пропорционально углу поворота планеты вокруг своей оси. При этом коэффициент выбирают таким образом, чтобы 24 часа UT1 были близки к средней продолжительности суток. А фазу — так, чтобы ноль часов UT1 соответствовал средней полуночи на линии меридиана в Гринвиче.

Под секундой UT1 понимают 1/86400 средних солнечных суток. До 1960 года она была равна одной секунде в международной системе единиц (СИ). До 1972 года UT1, которое рассчитывается и поддерживается IERS, было общепринятой эталонной шкалой времени.

TAI

TAI — это временная шкала, которую определяют через атомную секунду — интервал, равный 9 192 637 770 периодам излучения атома цезия-133. Начало отсчета TAI согласовано таким образом, чтобы оно совпадало с UT1 от первого января 1958 года.

С тех пор TAI определяет международное бюро мер и весов, которое собирает и обрабатывает показания 450 атомных часов, расположенных в 85 странах. Однако вскоре появилась идея объединить различные шкалы, чтобы увеличить точность. Это привело к тому, что в 1972 году был принят новый координированный глобальный стандарт времени.

UTC

Колебания скорости вращения Земли приводят к расхождению между шкалами UT1 и TAI. IERS регулирует эту неточность с помощью дополнительных секунд. Их комбинация с UI1 и TAI и дает UTC, всемирное координированное время.

Хотя BIPM рассчитывает и распространяет стандартную шкалу времени UTC, пользователи по всему миру имеют доступ к локальным значениям UTC, определяемым национальными лабораториями. Они координируются как с UTC, так и друг с другом.

В современных сетях 5G синхронизация важна как никогда — и она будет играть еще более значимую роль в будущем. Например, в системах управления роботами на заводах.

Синхронизация важна и для работы дата-центров. Время помогает соотнести и упорядочить одновременные события на сотнях серверов. В сфере безопасности хронометрия нужна, например, для проверки сертификатов с коротким сроком действия и обнаружения вторжений.

Прерывистый характер UTC, из-за которого периодически нужно добавлять дополнительные секунды, влияет на экономику, кибербезопасность и современные отрасли промышленности, в основе которых — архитектура распределенных систем.

Подробнее о проблемах

Автоматизация и распределенные системы не могут стабильно работать из-за временных расхождений, которые вводит дополнительная секунда. Ситуация усугубляется отсутствием стандартов в «обслуживании високосных секунд», вялым диалогом между сообществом IT-специалистов и метрологами. Кроме того, нет единого подхода к предоставлению услуг с помощью глобальных навигационных спутниковых систем вроде GPS, Galileo, ГЛОНАСС, DORIS и BeiDou, а также региональных систем типа IRNSS.

Расхождения приводят к отказам ПО для IoT и устройств на базе Windows, Linux и Unix. Микропрограммное обеспечение каждого датчика основано на одной из этих систем. Внезапные сдвиги по времени побуждают ошибки низкоуровневой хронологии событий, которая определяет управление многозадачностью и другими процессами в системе.

Несоответствие хронологии может привести к «панике ядра» — компьютерной ошибке, после которой система не сможет быстро восстановиться:

В таких сценариях дополнительная секунда UTC может привести к эффекту домино: уронить электросвязь, энергосистему, сбоям в работе железных дорог и всему, что доступно воображению. Вероятно, в будущем дополнительная секунда UTC впервые станет отрицательной. Как отреагируют на это системы — сказать сложно.

Новая парадигма синхронизации времени

Есть два варианта обработки событий, связанных с введением дополнительной секунды: скачкообразное изменение времени или размазывание скачка. В большинстве случаев предпочтительней второй вариант — метод распределения по интервалу в несколько часов.

Вводимая дополнительная секунда обозначается как 23:59:60, то есть как время, не предусмотренное в большинстве современных цифровых систем. Это противоречие привело к широкому распространению особых методов, которые все чаще используются в качестве альтернативы дополнительной секунде. Например, Google размазывает дополнительную секунду по предыдущим 24 часам, Facebook — по последующим 18 часам, Microsoft — по предыдущим двум секундам, а Alibaba — по интервалу в 24 часа, на середину которого и приходится дополнительная секунда.

За период с 1972 года UTC обновляли 27 раз. Крайняя дата — 31 декабря 2016 года. Сегодня разница между UTC и TAI составляет 37 секунд.

Последствия и риски из-за корректировок привели к тому, что все чаще звучат призывы к проведению реформы UTC и отмене дополнительных секунд. Тема будущего всемирного координированного времени была вынесена на обсуждение международного союза электросвязи (МСЭ) еще в 1999 году. В то время Китай предложил лучше изучить этот вопрос и принять решение.

Впоследствии страны и организации продолжили обсуждение вопроса о дополнительной секунде на всемирной конференции радиосвязи в 2015 году, где было принято решение не вносить никаких изменений в UTC до 2023 года. Сегодня реформа приобрела неотложный характер.

Конечно, до вступления в силу високосной минуты пользователи должны успеть оценить и внести обновления в свои системы и программное обеспечение. При этом следует как-то сохранить связь UTC с UT1. В некоторых областях и отраслях, таких как астрономия, геодезия, космические исследования, по-прежнему используется UT1. Поэтому закрыть на него глаза не получится.

Возможно, эти тексты тоже вас заинтересуют:

→ Мониторинг на Python: как сохранить метрики в мультипроцессном режиме
→ Необычные ноутбуки: китайский тяжеловес с серверным AMD EPYC, RISC-V лэптоп и станция с 7 дисплеями
→ Предновогодние мини-ПК: 5 отличных девайсов на разные случаи жизни

Вопрос о введении эталонной шкалы времени поднимали не раз. Главная задача заключается в том, чтобы сделать UTC непрерывной, а не ступенчатой шкалой атомного времени, какой она является сейчас.

На 27 заседании генеральной конференции по мерам и весам, которая проходила в ноябре 2022 года, решили сохранить существующую согласованность UTC с вращением Земли. Это значит, что нужно будет использовать более широкий диапазон допустимых отклонений, чем 0,9 секунды. Соответственно, вводить более значительные корректировки. Но последняя мера будет более редкой, чтобы можно было использовать UTC последующие 100 лет.

Сегодня BIPM, МСЭ-R и другие организации разрабатывают новый порядок, который должен вступить в силу в 2035 году. Он предусматривает установку нового допустимого расхождения UT1-UTC, чтобы UTC продолжало работу в текущих и будущих приложениях измерения времени.

Для адаптации к изменению UTC ряд пользователей, в том числе астрономическая, морская навигационная, подвижная и воздушная службы, потребовали дополнительное время на обновление систем. В случае с ГЛОНАСС период между принятием решения и реализацией должен составить не менее 15 лет.

Что думаете насчет дополнительной секунды вы? К каким последствиям она может привести в ваших системах? Поделитесь опытом и мнением в комментариях. А еще — с наступающим Новым годом!