Padrão de tempo

Um padrão de tempo é uma especificação para medir o tempo, seja a taxa de sua passagem, os instantes ou os dois. Especificações que antes dependiam de costumes e usos passaram a ser reconhecidas oficialmente como padrões. Uma escala de tempo, por exemplo, estabelece um método para medir divisões do tempo. Um padrão de tempo civil pode especificar intervalos de tempo e a hora do dia.

As medições padronizadas do tempo usam um relógio para contar os ciclos de uma mudança periódica, que pode ocorrer em um fenômeno natural ou em um mecanismo artificial.

Os padrões de tempo costumavam se basear no período de rotação da Terra. Do fim do século XVIII ao século XIX, pressupunha-se que a taxa de rotação diária da Terra fosse constante. Observações astronômicas de diferentes tipos, entre elas os registros de eclipses estudados no século XIX, levantaram a suspeita de que a rotação da Terra desacelerava gradualmente e apresentava pequenas irregularidades. Isso foi confirmado no início do século XX. A partir de 1952, os padrões baseados na rotação terrestre foram substituídos, ou inicialmente complementados, para uso astronômico, por um padrão de tempo de efemérides, baseado no período orbital da Terra e, na aplicação prática, no movimento da Lua. A invenção do relógio atômico de césio em 1955 levou à substituição dos padrões mais antigos, inteiramente astronômicos, por padrões baseados total ou parcialmente no tempo atômico na maioria das aplicações práticas.

Diferentes tipos de segundo e de dia são usados como intervalos básicos na maioria das escalas de tempo. Outros intervalos, como minutos, horas e anos, costumam ser definidos a partir dessas duas unidades.

Terminologia O termo "tempo" é usado para conceitos próximos, mas distintos. Instante,IEC 60050-113:2011, item 113-01-08. entendido como um objeto, é um ponto no eixo do tempo. Como objeto, não tem valor numérico. Data,IEC 60050-113:2011, item 113-01-12: "marca atribuída a um instante por meio de uma escala de tempo especificada". entendida como uma grandeza, caracteriza um instante. Seu valor pode ser expresso de diferentes formas, como "2014-04-26T09:42:36,75", no formato da norma ISO 8601, ou, na linguagem cotidiana, "hoje, às 9h42". Intervalo de tempo,IEC 60050-113:2011, item 113-01-10. ISO 80000-3:2006, item 3-7. entendido como um objeto, é a parte do eixo do tempo delimitada por dois instantes. Como objeto, não tem valor numérico. Duração,IEC 60050-113:2011, item 113-01-13: "extensão de um intervalo de tempo, definido no item 113-01-10". entendida como uma grandeza, caracteriza um intervalo de tempo.ISO 80000-3:2006, item 3-7. Seu valor pode ser expresso, por exemplo, por uma quantidade de minutos ou pelas grandezas que especificam seu início e seu fim, como horas e datas. Cronologia é uma sequência ordenada de acontecimentos do passado. As cronologias podem ser divididas em grupos cronológicos, em um processo chamado periodização. A escala de tempo geológico é um dos principais sistemas de periodização e organiza os acontecimentos que deram forma à Terra e à vida no planeta. A cronologia, a periodização e a interpretação do passado compõem o estudo da história.

Definições do segundo

O segundo teve apenas três definições: uma fração do dia, uma fração de um ano extrapolado e uma definição baseada na frequência de micro-ondas de um relógio atômico de césio.

Os primeiros relógios não tinham precisão suficiente para acompanhar os segundos. Depois da invenção dos relógios mecânicos, o sistema CGS e o sistema MKS de unidades definiram o segundo como 1/86.400 de um dia solar médio. O sistema MKS foi adotado internacionalmente na década de 1940.

No fim da década de 1940, os relógios com osciladores de cristal de quartzo conseguiam medir o tempo com mais precisão do que a rotação da Terra. Os especialistas em metrologia do tempo também sabiam que a órbita da Terra ao redor do Sol, correspondente a um ano, era muito mais estável que a rotação terrestre. Isso levou à definição do tempo de efemérides e do ano tropical. O segundo de efemérides foi definido como "a fração 1/31.556.925,9747 do ano tropical para 0 de janeiro de 1900 às 12 horas do tempo de efemérides". Essa definição foi incorporada ao Sistema Internacional de Unidades em 1960.

O desenvolvimento dos relógios atômicos permitiu medições mais precisas. Desde 1967, a unidade básica de tempo do SI é o segundo, definido como exatamente "a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133", à temperatura de 0 K e ao nível médio do mar. O segundo do SI é a base de todas as escalas de tempo atômico, entre elas o tempo universal coordenado, o tempo GPS e o tempo atômico internacional.

Padrões de tempo atuais O tempo coordenado geocêntrico, abreviado como TCG, é um tempo coordenado cuja origem espacial fica no centro de massa da Terra. O TCG é um ideal teórico, e qualquer realização concreta terá erro de medição.

O tempo atômico internacional, ou TAI,TAI. é o principal padrão de tempo realizado fisicamente. O Escritório Internacional de Pesos e Medidas, ou BIPM, calcula o TAI combinando dados de muitos relógios atômicos distribuídos pelo mundo. Os dados de cada relógio são corrigidos para compensar efeitos ambientais e relativísticos, decorrentes da gravidade e da velocidade, como ocorre nos sistemas globais de navegação por satélite. O TAI não deriva diretamente do TCG. Ele é uma realização do tempo terrestre, ou TT, uma escala teórica obtida pelo reescalonamento do TCG, de modo que sua taxa de passagem corresponda aproximadamente à do tempo próprio no nível médio do mar.

O tempo universal, ou UT1, é o ângulo de rotação da Terra, abreviado como ERA, reescalonado linearmente para corresponder às definições históricas do tempo solar médio na longitude de 0°. Em medições de alta precisão, a rotação da Terra é irregular. Ela é determinada pelas posições de quasares distantes, com interferometria de longa linha de base, por medições de distância à Lua e a satélites artificiais com laser e pelas órbitas dos satélites GPS.

O tempo universal coordenado, ou UTC, é uma escala de tempo atômico criada para se aproximar do UT1. A diferença entre UTC e TAI é um número inteiro de segundos. O UTC é mantido a menos de 0,9 segundo do UT1 pela introdução de ajustes de um segundo, chamados segundos intercalares. Esses ajustes e a diferença TAI − UTC sempre foram positivos.

O sistema de posicionamento global transmite um sinal horário de alta precisão para todo o mundo, acompanhado de instruções para converter o tempo GPS, ou GPST, em UTC. O GPST foi definido com uma diferença constante em relação ao TAI: GPST = TAI − 19 s. O padrão de tempo GPS é mantido de forma independente, mas é sincronizado regularmente com o UTC.

A hora legal, ou tempo civil, de um fuso horário difere de alguma forma de tempo universal, geralmente o UTC, por um valor fixo e redondo, em geral um número inteiro de horas. Essa diferença é escolhida para que o novo dia comece aproximadamente quando o Sol passa pelo meridiano do nadir. Em alguns casos, a diferença muda duas vezes por ano por um valor redondo, normalmente uma hora, como ocorre no horário de verão.

O número do dia juliano é uma contagem dos dias decorridos desde o meio-dia médio de Greenwich de 1 de janeiro de 4713 a.C., no calendário juliano proléptico. A data juliana é o número do dia juliano acrescido da fração do dia transcorrida desde o meio-dia anterior. Isso evita a mudança de data durante uma noite de observação astronômica. O dia juliano modificado, abreviado como MJD, é definido por MJD = JD − 2.400.000,5. Um dia MJD começa, assim, à meia-noite da data civil. As datas julianas podem ser expressas em UT1, TAI, TT e outras escalas. Para aplicações de precisão, é necessário especificar a escala, como em MJD 49.135,3824 TAI.

O tempo coordenado baricêntrico, ou TCB, é um tempo coordenado cuja origem espacial fica no centro de massa do Sistema Solar, chamado baricentro.

Conversões As conversões entre os sistemas de tempo atômico TAI, GPST e UTC são, em sua maioria, exatas. O tempo GPS, porém, é um valor medido, enquanto uma escala "em papel" é calculada. Por isso, pode diferir do UTC(USNO) em algumas centenas de nanossegundos. O UTC(USNO), por sua vez, pode diferir do UTC oficial em até 26 nanossegundos. As conversões de UT1 e TT dependem de tabelas publicadas de diferenças, que, em 2022, eram especificadas com resolução de 10 microssegundos e 0,1 nanossegundo, respectivamente.

Sistema Descrição UT1 UTC TT TAI GPS UT1 Tempo solar médio UT1 UTC = UT1 − DUT1 TT = UT1 − DUT1 + LS + 32,184 s + DTT TAI = UT1 − DUT1 + LS GPS = UT1 − DUT1 + LS − 19 s UTC Tempo civil UT1 = UTC + DUT1 UTC TT = UTC + LS + 32,184 s + DTT TAI = UTC + LS GPS = UTC + LS − 19 s TT Tempo terrestre UT1 = TT − 32,184 s − DTT − LS + DUT1 UTC = TT − 32,184 s − DTT − LS TT TAI = TT − 32,184 s − DTT GPS = TT − 51,184 s − DTT TAI Tempo atômico UT1 = TAI − LS + DUT1 UTC = TAI − LS TT = TAI + 32,184 s + DTT TAI GPS = TAI − 19 s GPS Tempo GPS UT1 = GPS + 19 s − LS + DUT1 UTC = GPS + 19 s − LS TT = GPS + 51,184 s + DTT TAI = GPS + 19 s GPS

As grandezas usadas na tabela são definidas da seguinte forma. LS = TAI − UTC é a diferença em segundos intercalares, disponível na tabela de segundos intercalares do Observatório Naval dos Estados Unidos.navy.mil. DUT1 = UT1 − UTC é publicado nos boletins do IERS ou nos dados de orientação da Terra do Observatório Naval dos Estados Unidos.navy.mil. DTT = TT − TAI − 32,184 s é publicado nas tabelas TT(BIPM) do BIPM.

O TCG se relaciona linearmente com o TT pela expressão TCG − TT = LG × (JD − 2.443.144,5) × 86.400 segundos. A diferença de escala LG é definida como exatamente 6,969290134 × 10−10.

O TCB é uma transformação linear do TDB, que difere do TT por pequenos termos, em sua maioria periódicos. Desprezando esses termos, da ordem de 2 milissegundos durante milênios em torno da época presente, a relação entre TCB e TT é TCB − TT = LB × (JD − 2.443.144,5) × 86.400 segundos. A União Astronômica Internacional definiu a diferença de escala LB como exatamente 1,550519768 × 10−8.

Padrões de tempo baseados na rotação da Terra O tempo solar aparente, ou tempo solar verdadeiro, se baseia no dia solar, o intervalo entre dois meios-dias solares consecutivos, quando o Sol real passa pelo meridiano. Um dia solar tem aproximadamente 24 horas de tempo médio. A órbita da Terra ao redor do Sol é elíptica, e o eixo terrestre é inclinado em relação ao plano orbital, a eclíptica. Por essas razões, o dia solar aparente pode ser algumas dezenas de segundos mais longo ou mais curto que a média de 24 horas. O acúmulo dessa variação durante algumas semanas produz diferenças de até 16 minutos entre o tempo solar aparente e o tempo solar médio, como expresso pela equação do tempo. Essas variações se compensam ao longo de um ano. Outras perturbações, como a oscilação do eixo terrestre, produzem diferenças inferiores a um segundo por ano.