Techniklexikon

Zeitmessung

Normen und Einheiten, die Bestimmung eines Zeitpunkts auf einer Zeitskala bzw. des Abstands zwischen zwei Zeitpunkten (Zeitraum). Beide Definitionen sind gleichwertig, da die Zeitskala durch einen Nullpunkt bestimmt ist. Die Zeitmessung reduziert sich damit stets auf die Bestimmung eines Zeitpunkts, der ganz allgemein durch Uhren angegeben wird, bei gleichzeitiger Angabe der Skala. Beispiele für universelle Skalen sind die Weltzeit, die Internationale Atomzeit und die daraus abgeleitete, im bürgerlichen Leben verwendete koordinierte Weltzeit.

Einheit der Zeit ist die SI-Basiseinheit Sekunde, ferner sind die Einheiten Minute (60 Sekunden), Stunde (60 Minuten), Tag (24 Stunden) und die verschieden definierten Einheiten Monat und Jahr zulässig.

Gesetzlich zuständig für die Zeitfestsetzung und die Verbreitung der Zeitsignale ist in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, die in Braunschweig zwei Cäsium-Atomuhren betreibt. Die Zeitsignale werden über den Zeitsignal- und Normalfrequenzsender DCF77 bei Mainflingen (bei Aschaffenburg) auf 77,5 kHz verbreitet; mit diesen Signalen lässt sich eine Funkuhr auf besser als 1 ms mit den Atomuhren in Übereinstimmung halten. Seit 1995 sind die Zeitsignale auch über das Telephonnetz und seit Frühjahr auch über das Internet abzurufen; die Genauigkeit der Übereinstimmung mit den Atomuhren ist durch die unkalkulierbaren Übertragungswege im Internet etwas schlechter, aber garantiert besser als 0,1 s.

Für hochgenaue Zeitmessungen kommen nur periodische Vorgänge in Betracht. Sog. primäre Zeitnormale beruhen auf bestimmten, durch internationale Vereinbarungen ausgewählten periodischen Vorgängen. In der Vergangenheit waren dies die Erdrotation (bis 1956), der Erdumlauf um die Sonne (bis 1967) und seither ein Hyperfeinstrukturübergang des Cäsiumatoms (Sekunde). Der Wechsel der Bezugsgrössen wurde jeweils vollzogen, um die Messunsicherheit zu verringern. Die genauesten Primärnormale betreiben das National Research Council of Canada mit einer Ungenauigkeit von 5,3 × 10^-14, das National Bureau of Standards (USA) mit 8,5 × 10^-14 und die PTB mit 0,65 × 10^-13. Sekundäre Zeitnormale (Uhren) werden regelmässig mit den primären Normalen verglichen. Cäsium-Atomuhren können sowohl primäre als auch sekundäre Zeitnormale sein.

Die heute gebräuchlichste Methode für Präzisionszeitvergleiche von Uhren an verschiedenen Orten nutzt die Satelliten des Global Positioning Systems (GPS). Relativistische Effekte sind dabei berücksichtigt. Für den Zeitvergleich müssen gleichzeitig an verschiedenen Orten dieselben GPS-Satellitensignale gemessen und die Zeitunterschiede zwischen den lokalen Uhren und der GPS-Systemzeit ermittelt werden. Durch Differenzbildung der Messergebnisse an zwei verschiedenen Orten ergeben sich dann die Standunterschiede der Uhren in den beteiligten Instituten; bei dem differentiellen Verfahren fällt der Stand der GPS-Borduhren heraus. Ein weiteres Routineverfahren, angewandt von der PTB und neun weiteren Zeitinstituten in Europa und den USA, ist der Zweiweg-Zeitvergleich über einen Intelsat-Telekommunikationssatelliten.