关于时间--地球自转与闰秒

说明：
秒是一个国际单位，也叫铯秒，固定为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。
天也是一个时间长度单位，但是在不同的时间标准里，一天的长度是不同的。

1 时间是个啥

古人很自然的发现太阳有规律的升起与落下，于是把太阳的升落周期称作一天，把草木的生死周期称作一年。而这一切都是围绕太阳而产生的，也就是说时间是人们对太阳的感觉。今天，我们知道了，昼夜交替和四季变化都是地球自转和公转的结果。

对于太阳的测量是几乎所有历法的基础，然而不同地方的人测量的方法、精度并不相同，这样就会导致不同的历法。为了便于全世界交流必须统一历法，也就是要建立一个统一的时间标准。

2 时间标准（时标）

如果不同地方采用不同的时间计量规范，必然导致交流的不便。为此，世界各国相互合作，达成一种统一标准的时间计量方式。一个时间标准必须要确定：

时间起始点；

一天的长度；

2.1 基于太阳观测（地球自转）的世界时UT0，UT1，UT2

由于地球轨道并非圆形，其运行速度又随着地球与太阳的距离改变而出现变化，因此视太阳时欠缺均匀性。视太阳日的长度同时亦受到地球 自转轴相对轨道面的倾斜度所影响。为着要纠正上述的不均匀性，天文学家计算地球非圆形轨迹与极轴倾斜对视太阳时的效应。平太阳时就是 指经修订后的视太阳时。在格林尼治子午线上的平太阳时称为世界时(UT0)，又叫格林尼治平时(GMT)。

随着较为精确的时钟面世，天文学家发现在不同地点量度的世界时出现差别。 这种差别是由于地轴摆动而引起的。各地天文台详细测量了地轴摆动的影响后，制定了一种称为 UT1 的新时标将这种影响删除。

在时钟的精确度进一步改进后，又发现 UT1 具有周期性变化。这种变化是由地球自转率的季节性变动引起的。上述影响经修正后， 得到一种更加均匀的时标称为 UT2。

由于地球自转的不完美，导致每天的时间长度并不完全相同。

UT的一秒长度也是采用了铯秒，这样就导致了有时候一天有86400秒，有时候有86401铯秒。

2.2 基于原子钟的国际原子时TAI

TAI（International Atomic Time）世界原子时。这种时间标准是随着原子钟的出现而被发明的。1967年的第13届国际度量衡会议上通过了该项决议。

TAI把时间起始点定在GMT的1958年1月1日0时0分0秒，并规定一秒（铯秒）的长度固定为铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。同理，TAI把一天严格定义为86400铯秒。

原子时标的准确度为每日数纳秒，而世界时的准确度则只为数毫秒。

2.3 我们生活工作中真正实际使用的协调世界时UTC

虽然TAI连续均匀并且非常准确，但是却不太适合人们生活工作中使用，因为它脱离了地球自转，也就脱离了人们熟悉的白天与黑夜等非常重要的感知世界。由于地球自转越来越慢，而TAI的秒长度是固定不变的，所以TAI的时间会比天文时间越来越快。举个不精确的例子，1958年1月1日0点0分0秒，TAI和UT1是重合的，然后地球公转了10周（过了天文10年）后，UT自然是1968年1月1日0点0分0秒。而此时，TAI却是1968年1月1日0时0分10秒了。别看这短短的10秒，日积月累，最后将会产生很大的影响，若干年后TAI可能会比UT1快出2个小时。如果把TAI直接作为生活中的时间，将来太阳升起的时间将不会是6点，而是变成了8点。这势必会造成人们感觉的迷茫。

UT1贴近人们的生活，却不太精确；TAI精确却不太贴近生活。为此，UTC（协调世界时）作为一种折中的时间标准被提了出来，并应用于人们的日常工作生活中，也就是说，我们平时手机、手表上显示的时间都是基于UTC的。

UTC本身基于TAI，但是会不定期根据UT1进行整秒修正，以达到UTC与UT1相差不超过0.9秒的效果。简单来说，UTC的起始时刻、秒长度与TAI一样，但是不定期会增加或者减少1秒，以达到和UT1相差少于0.9秒的目的。这个增加或减少的1秒就叫做“闰秒”。

位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般会在（0时区）每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。当增加一个闰秒时，就会出现像2015年6月30日23时59分60秒这样的奇特现象。

下面是截至2016年历史上出现过的闰秒。

引入日期        正/负秒     TAI-UTC (秒)
1972年1月1日       正   10.0
1972年7月1日       正   11.0
1973年1月1日       正   12.0
1974年1月1日       正   13.0
1975年1月1日       正   14.0
1976年1月1日       正   15.0
1977年1月1日       正   16.0
1978年1月1日       正   17.0
1979年1月1日       正   18.0
1980年1月1日       正   19.0
1981年7月1日       正   20.0
1982年7月1日       正   21.0
1983年7月1日       正   22.0
1985年7月1日       正   23.0
1988年1月1日       正   24.0
1990年1月1日       正   25.0
1991年1月1日       正   26.0
1992年7月1日       正   27.0
1993年7月1日       正   28.0
1994年7月1日       正   29.0
1996年1月1日       正   30.0
1997年7月1日       正   31.0
1999年1月1日       正   32.0
2006年1月1日       正   33.0
2009年1月1日       正   34.0
2012年7月1日       正   35.0
2015年7月1日       正   36.0

可以看出，目前TAI已经比UTC快了36秒，同样也比UT大概快了36秒。

3 授时服务

既然全世界的人们已经都同意使用UTC作为时间标准了，那么彼此沟通就简单多了。可是，作为实际使用时间的每个人如何获得这个UTC时间呢？这就是UTC授时服务。

每个国家都有专门的机构来提供UTC授时服务，一般由这个国家的天文台负责实施。各国天文台从地球自转事务管理局取得UTC，然后通过各种途径向个人和机构授时。

我国官方授时机构为中国科学院国家授时中心(www.ntsc.ac.cn)。

互联网

网路时间协议NTP是互联网上的一种标准协议，目前存在很多的时间服务器，既包括国家天文台设立的服务器如，也包括一些大公司如微软设立的服务器time.windows.com。

目前主要操作系统都提供自动校时软件，Windows甚至把校时服务作为内嵌功能。

无线电波

一般提供长波、短波等授时信号，学过航海的同学一般都有过在船上拿着收音机收听授时信号的经历。

卫星

GPS，北斗系统都提供授时功能。

手机

移动电话基站提供授时功能

4 Unix时间戳

Unix时间戳以UTC为基础，并以UTC的1970年1月1日0点0分0秒为起始时刻。每当UTC增加一秒，Unix时间戳就加1，当遇到闰秒的时候，则不加1。所以说，Unix时间戳并不是记录真正的铯秒数。时间戳的1个间隔相当于1天的86400分之一，而不管这一天到底多长。

如：



这样就会导致一个问题，也就是同一个Unix时间戳可能对应于两个UTC时间点。也就是说根据Unix时间戳不能识别出闰秒增加的时刻。