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Technik: Fragen zur Atomuhr und zur Zeitmessung


Atomuhr


  1. Wie funktioniert eine Atomuhr?
  2. Wo steht die Atomuhr und wer betreibt sie ?

Zeiteinteilung


  1. Wie lang ist eine Sekunde ganz genau ?
  2. Wie wird die Sekunde genau gemessen ?
  3. Die Darstellung der gesetzlichen Zeit
  4. Die Einteilung der Zeitzonen
  5. Wer bestimmt die Zeitzonen?
  6. Weltzeit UTC
  7. Weltzeit GMT
  8. Geschichte der Zeitmessung

Antworten


Atomuhr


  1. Wie funktioniert eine Atomuhr?


    In Atomuhren wird die Eigenschaft von Atomen ausgenutzt, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen (Energieniveaus) elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder absorbieren zu können. Der Wert von f0 ergibt sich aus der Energiedifferenz beider Zustände, geteilt durch die Planck-Konstante. In Atomuhren werden Übergänge zwischen solchen Energieniveaus verwendet, die eine lange natürliche Lebensdauer besitzen und deren Lage nur wenig von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussbar ist. Geeignete Atome sind z. B. die Alkalien mit ihrer Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes.

  2. Wo stehen Atomuhren und wer betreibt sie ?


    Atomuhren stehen z.B. in der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt in Braunschweig (PTB). Diese Atomuhren sind mit dem Zeitzeichensender in Mainflingen bei Frankfurt verbunden, welcher die Funkuhren steuert.

Zeiteinteilung


  1. Wie lang ist eine Sekunde ganz genau?


    Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.

  2. Wie wird die Sekunde genau gemessen ?


    Die Definition weist schon auf die Methode hin, mit der die Sekunden dargestellt werden können: In einer Atomuhr werden Caesium-Atome mit Hilfe einer elektromagnetischen Strahlung dazu gebracht, von einem Energieniveau in ein anderes zu wechseln. Dieser Übergang funktioniert bei einer ganz bestimmten Frequenz (Periodendauer) der Strahlung besonders gut. Durch Abzählen der richtigen Zahl von Perioden (siehe Zahl oben) gewinnt man die Sekunde ausgesprochen präzise. Die Sekunde kann von allen SI-Basiseinheiten am genauesten realisiert werden: Die primäre Atomuhr CS2 der PTB weicht in einem Jahr nur um eine millionstel Sekunde von der "idealen" Sekunde ab. Aus den einzelnen Sekunden fügt sich die Zeitskala zusammen. Die Zeit, die in der PTB realisiert wird, heißt Koordinierte Weltzeit (Coordinated Universal Time) mit dem Zusatz PTB: UTC(PTB). UTC(PTB) plus eine Stunde ist die Mitteleuropäische Zeit (MEZ), UTC(PTB) plus zwei Stunden die Mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ).

  3. Die Darstellung der gesetzlichen Zeit


    Das Zeitgesetz von 1978 (Bundesgesetzblatt 1978, Teil I, S. 1110-1111) legt die mitteleuropäische Zeit MEZ oder die mitteleuropäische Sommerzeit MESZ als gesetzliche Zeit fest, die im amtlichen und geschäftlichen Verkehr verwendet werden soll. Hiermit wird die alte Regelung aus dem Zeitgesetz von 1893 fortgeführt, nach dem im Deutschen Reich die mittlere Sonnenzeit am 15. Grad östlicher Länge als einheitliche Zeit galt. Zuvor hatte es in Deutschland noch eine Vielfalt von Regelungen für die Zeitbestimmung in den einzelnen Bundesstaaten gegeben. Das Gesetz folgte einige Jahre auf die grundsätzliche Übereinkunft, ein System von 24 Zeitzonen mit einer Ausdehnung von jeweils 15 Längengraden zu schaffen und mit dem Meridian durch Greenwich als dem Nullmeridian. Dagegen hatte sich die einheitliche Verwendung des gregorianischen Kalenders für die Datumsangabe schon lange durchgesetzt.

    Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist durch das Zeitgesetz damit beauftragt, die gesetzliche Zeit zu realisieren und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Das bekannteste Verfahren hierfür ist die Aussendung von Zeitzeichen und Normalfrequenz über den Sender DCF77.

  4. Die Einteilung der Zeitzonen


    Der Wechsel von Tag und Nacht auf der Erde, und damit die Einteilung der Zeit in Tage und Tageszeiten, entsteht durch die Rotation der Erde um sich selbst. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt 360°/24h = 1°/4min. Stellt man also alle ortsfesten Uhren auf die sogenannte Ortszeit, also so, dass sie genau zum Zeitpunkt der senkrecht stehenden Sonne an ihrem Standort 12:00:00 Uhr mittags anzeigen, so unterscheiden sich die von den Uhren angezeigten Zeiten, und zwar um 4min pro Längengrad Entfernung. Dabei gehen die weiter östlich stehenden Uhren vor. Es existiert daher die grundsätzliche Übereinkunft ein System von 24 Zeitzonen mit einer Ausdehnung von jeweils 15 Längengraden zu gebrauchen. Bis zur Einführung von Zeitzonen, galt an den meisten Punkten der Erde tatsächlich die Ortszeit, oder die Ortszeit eines nahen Ortes. Bis 1893 galt z.B. in Bayern die Münchener Ortszeit und in Berlin die Berliner Ortszeit. Da Berlin knapp 2° östlicher als München liegt, gingen dort die Uhren 7 Minuten vor gegenüber den Uhren in München.

  5. Wer bestimmt die Zeitzonen ?


    Die Einführung der Sommerzeit wird durch Rechtsverordnung der Bundesregierung bekannt gemacht. Die aktuelle Verordnung (Bundesgesetzblatt 2001 Teil 1, Nr. 35, S. 1591, Juli 2001) legt fest, dass ab dem Jahr 2002 die mitteleuropäische Sommerzeit auf unbestimmte Zeit eingeführt wird, und zwar immer zwischen dem letzten Sonntag im März und dem letzten Sonntag im Oktober.

    In Deutschland wurde Sommerzeit während der Kriegsjahre (Sommerzeit alt) und dann wieder seit 1980 (Sommerzeit neu) eingeführt. Die Einführung erfolgt in allen Ländern der Europäischen Union zum gleichen Termin, weltweit gibt es abweichende Regelungen (Sommerzeit international).

  6. Weltzeit UTC


    Die Weltzeit oder Universal Time (UT), auch Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) wurde 1926 als Ersatz für die Greenwich Mean Time (GMT) eingeführt. Sie wurde aus astronomischen Beobachtungen gewonnen und entspricht etwa der mittleren Sonnenzeit am Meridian durch Greenwich (Grossbritannien - nullter Längengrad). Ältere Programme und Informationen enthalten immer noch Angaben in GMT. Dafür kann man in der Regel die neuere Bezeichnung UTC einsetzen bzw. die entsprechende Zeitangabe in UTC übernehmen.
    Der Unterschied zwischen MEZ bzw. MESZ und der koordinierten Weltzeit UC (Coordinated Universal) beträgt

    MEZ = UTC + 1h bzw.
    MESZ = UTC + 2h.

  7. Weltzeit GMT


    Um bei internationaler, zeitzoneübergreifender Kommunikation (z.B. Schiff- und Flugverkehr) nicht durch ständiges Umrechnen von Zeitzonen völlig durcheinander zu kommen, hat man sich in vielen Bereichen auf die Ortzeit am 0. Längengrad geeinigt. Per Definition läuft dieser Längengrad genau durch Greenwich bei London, und daher heißt die Ortszeit bei 0° Greenwich Meantime (GMT). In GMT ist die Sekunde als der 86400ste Teil des mittleren Sonnentages (eine Rotation der Erde um sich selbst) des entsprechenden Jahres definiert. Da an der Erde so ziemlich nichts konstant ist, sondern sie ziemlich wabbelig durchs Weltall eiert, war damit auch die Sekunde nicht konstant. Die Länge eines Tages schwankt durch Effekte wie Bewegung von riesigen Massen im flüssigen Erdinnern (Schwankungen von mehreren Jahrzehnten Dauer), Gezeiten, Vulkanausbrüchen, jahreszeitliche Schwankungen durch Luftmassenverlagerungen und Abschmelzungen an den Polen und sogar durch menschliche Einflüsse, z.B. Aufstauen großer Wassermengen in einem Stausee. Durch die Gezeitenreibung verlängert sich der Sonnentag pro Jahrhundert um 0.0016s.

  8. Geschichte der Zeitmessung


    Eine allereinfachste Form von Uhren war bereits vor 6000 Jahren in Gebrauch. Man steckte einen Stab in den Boden und las die Zeit aus der Lage seines Schattens annähernd ab. Diese erste Form der Sonnenuhr wurde in der Folge wesentlich verbessert und ist in manchen Teilen der Welt auch heute noch von Bedeutung.
    Auch die Wasseruhr hat eine lange Tradition. Ein feiner Wasserstrahl, der ein größeres Gefäß langsam und gleichmäßig auffüllt, erlaubt es auch längere Zeitspannen mit einiger Genauigkeit zu bestimmen. Derartige Wasseruhren waren vor allem im römischen Imperium in Gebrauch.
    Nicht nur die Feststellung der Tageszeiten, auch die Einteilung des Jahresablaufes ist eine wichtige Aufgabe der Zeitmessung. Der Zusammenhang zwischen den Jahreszeiten, der Tageslänge und dem jeweiligen Höchststand der Sonne wurde schon sehr früh erkannt. Sowohl für die Zwecke des Ackerbaues, als auch aus kultisch-religiösen Gründen stellte sich bald die Aufgabe, die Jahreszeiten genauer einzuteilen. Die dazu notwendigen astronomischen Beobachtungen setzten in Babylon bereits im 4. vorchristlichen Jahrtausend ein. Zahlreiche Keilschrifttäfelchen überliefern Beobachtungen von Sonne, Mond und Planeten.
    Während die astronomischen Beobachtungen bald eine hinreichend genaue Beschreibung des Jahresablaufes ermöglichten, war die Tageseinteilung durch Wasser-, Sand- und Sonnenuhren wenig zufriedenstellend. Erst mechanische Räderuhren, die ab dem 13. Jahrhundert die Kirchtürme zu schmücken begannen, genügten den Ansprüchen der wachsenden Städte des Mittelalters. Selbst die Zeitangabe dieser ersten mechanischen Uhren war zunächst noch sehr ungenau, und Fehler von einer Stunde pro Tag waren üblich.
    Ein entscheidender Durchbruch wurde erst wieder im 20.Jahrhundert erzielt. Um 1930 entstanden die ersten Quarzuhren, bei denen die Schwingungen eines Quarzkristalls den Taktgeber der Uhr bilden. Dabei benützt man die Tatsache, dass ein Quarzkristall seine Länge ändert, wenn man auf seine Enden positive und negative elektrische Ladungen aufbringt. Diese Erscheinung nennt man Piezo-Elektrizität. Bringt man den Quarzkristall in ein elektrisches Wechselfeld, so ändert er periodisch seine Länge und beginnt zu schwingen. Diese Schwingung benützt man zur Konstruktion von Quarzuhren. Wegen der hervorragenden Schwingungseigenschaften von Quarzkristallen kann man dabei eine Genauigkeit von Bruchteilen einer Sekunde im Jahr erreichen.

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