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世界協調時

世界主要時間標準
「UTC」重新導向至此。關於UTC的其他含義，請見「UTC (消歧義)」。

世界協調時（英語：Coordinated Universal Time，法語：Temps Universel Coordonné，簡稱UTC）是最主要的世界時間標準，其以原子時的秒長為基礎，在時刻上儘量接近於格林威治標準時間。台灣採用CNS 7648的《資料元及交換格式–資訊交換–日期及時間的表示法》（與ISO 8601類似）稱之為「世界協調時間」；中華人民共和國採用ISO 8601:2000的國家標準GB/T 7408-2005《數據元和交換格式 信息交換 日期和時間表示法》中則稱之為「協調世界時」。

「世界協調時」的各地常用名稱
中國大陸協調世界時[1]
臺灣世界協調時間[2]、協調世界時[3]
香港協調世界時[4]
澳門世界協調時[5]
馬來西亞世界協調時間
世界地圖上的現行時區
現在時間
2024年11月21日 20:00:40 (UTC) 更新

世界協調時是世界上調節時鐘和時間的主要時間標準，它與0度經線的平太陽時相差不超過1秒[6]，並不遵守夏令時。世界協調時是最接近格林威治標準時間（GMT）的幾個替代時間系統之一。對於大多數用途來說，UTC時間被認為能與GMT時間互換，但GMT時間已不再被科學界所確定。

世界協調時（UTC）正式形成於1963年國際無線電諮詢委員會的374號建議中[7]，該建議由多國時間實驗室共同提出。人們對該時間系統進行過數次調整，直到1972年引入了閏秒機制，調整工作得以簡化。也有很多人提議用一個沒有閏秒的時間系統來替換掉世界協調時，但目前尚未就此達成一致。

現行的世界協調時根據國際電信聯盟的建議《Standard-frequency and time-signal emissions》(ITU-R TF.460-6)所確定[8]。UTC基於國際原子時，並通過不規則的加入閏秒來抵消地球自轉變慢的影響[9]。閏秒在必要的時候會被插入到UTC中，以保證世界協調時（UTC）與世界時（UT1）相差不超過0.9秒[10]。

縮寫

世界協調時的縮寫為UTC。國際電信聯盟希望世界協調時能夠在所有語言有單一的縮寫。英語和法語區的人同時希望各自的語言縮寫－CUT和TUC能夠成為國際標準，結果最後妥協使用UTC[11]，這個縮寫跟從世界時變種（UT0、UT1、UT2、UT1R等等）的縮寫模式相似[12]。

機理

世界協調時把時間分為天、小時、分鐘和秒。通常，天是使用格里曆（公曆）定義的，但也能使用儒略日。每天包含24小時，每小時包含60分鐘。一分鐘通常有60秒，但加入了隨機的閏秒後，一分鐘可能是61秒或59秒[13]。因此，在UTC系統的時間尺度中，秒和比秒小的單位（毫秒、微秒等）其長度是固定的，但是對於分鐘和比分還大的單位（小時、天、周等），其長度是可變的。國際地球自轉服務組織（IERS）做出插入閏秒的決定，並至少在加入前6個月發佈在該組織的「公告C」中[14][15] 。閏秒是無法提前很早預知的，因為地球的自轉速率是不可預測的[16]。

幾乎所有的UTC天都包含 86,400 SI秒，即每分鐘正好有60秒。然而，由於一個平太陽日比 86,400 SI秒稍微長一些，偶爾會有一個UTC天的最後一分鐘被調整為61秒。多出的這一秒被稱為閏秒，它體現了上一閏秒後比平太陽日多出來的全部時長（大約每天2毫秒）。一個UTC天的最後一分鐘也可以是59秒，以此來適應地球自轉得更快的情況，但是這樣的可能性很小，至今還沒有出現過。UTC天的長度不規則意味着帶小數的儒略日和UTC時間不能很好的對應。

為了保證世界協調時很接近世界時UT1，UTC從基於TAI的線性方程轉變成另一方程時，偶爾會出現不連續點。這些不連續點以閏秒的形式體現出來，這些不連續點就是造成了UTC天的長度不規則的閏秒。IERS規定不連續點僅出現在6月或12月底，但也有規定將3月或者9月作為備選[17] [18]。國際地球自轉服務組織(IERS)跟蹤並公佈UTC時間和世界時的差別，即DUT1 = UT1 - UTC，另外，IERS也負責引入不連續的閏秒來保證它們的時間差DUT1在±0.9秒之間。

由於時間膨脹效應，不在大地基準面或者快速運動的標準時鐘，將不會和UTC時間保持同步。因此，在必要的時候，從大地基準面時鐘有確定關係的時鐘那裏獲取的遙感信號，可以用來提供UTC時間，比如裝在航天器等位置上的時鐘。

如果查詢不到描述兩UTC時刻之間閏秒數量的列表，就不可能計算出這段時間內的精確時差。相應的，計算出一段以未來時刻為終點的時間間隔的時差也是不可能的，因為其中可能包含了數量不定的閏秒(比如，「現在」和「2099-12-31 23:59:59」之間有多少TAI秒)。因此，許多要求長期(多年)高精度測量的科學應用使用TAI來代替UTC時間。TAI也經常被用在不能處理閏秒的系統中。GPS時總是恰好比TAI時落後19秒(TAI時和GPS時都不受UTC中引入的閏秒影響)。

歷史

國際原子時的誤差為每日數納秒，而世界時的誤差為每日數毫秒。對於這種情況，一種稱為世界協調時的折衷時標於1972年面世。為確保世界協調時與世界時相差不會超過0.9秒，在有需要的情況下會在世界協調時內加上正或負閏秒。因此世界協調時與國際原子時之間會出現若干整數秒的差別。位於巴黎的國際地球自轉事務中央局負責決定何時加入閏秒。

1884年，在華盛頓召開了國際子午線會議(International Meridian Conference)，英國格林威治皇家天文台的當地平太陽時被指定為通用日，以午夜零時作為當天的起點。這種規定符合民用格林威治時間(GMT)，民用GMT自1847年起就在大不列顛島使用。相比之下，天文GMT開始於當天午夜後12小時的中午，直到1925年1月1日都是如此。與之相反，航海GMT開始於當天午夜前12小時的中午，至少到了1805年英國皇家海軍還在使用，航海GMT在其他地方又被使用了更長的時間，因為1884年的國際子午線會議提到了它。1884年，有三分之二的圖表和地圖使用格林威治子午線(Greenwich Meridian)作為它們的本初子午線(Prime Meridian)[19]。1928年，國際天文聯合會(International Astronomical Union)引入了世界時(UT)的概念來指代GMT，UT的一天開始於GMT的午夜[20]。直到20世紀50年代，廣播時間信號都是以世界時UT為準，因此也以地球的自轉為準。

1955年，銫原子鐘的發明，提供了一種比天文觀測更穩定且更方便的授時機制。1956年，美國國家標準局(U.S. National Bureau of Standards)和美國海軍天文台(U.S. Naval Observatory)開始研究以原子頻率為準的時間尺度。到了1959年，這些時間尺度被用來生成WWV時間信號，並通過廣播它們的無線電台廣為人知。1960年，美國海軍天文台、英國格林威治皇家天文台以及英國國家物理實驗室(UK National Physical Laboratory)協調了它們的無線電廣播，由此時間的步長和頻率的變化得到了協調，這樣產生的時間尺度也被正式命名為「世界協調時」[21]。

1958年，將新確立的銫原子躍遷頻率和曆書秒聯繫起來的數據被公佈[22] 。當曆書秒在支配太陽系行星和衛星運動的定律中充當自變量時，曆書秒這種時間間隔可以使得這些定律能夠準確預測太陽系中天體的觀測位置。在觀測精度允許的範圍內，曆書秒的長度是一定的，就像原子秒一樣。這次公佈的數據使得原子秒的某一長度值可以妥善地用於天體運動定律中[23]。

1961年，國際時間局開始在國際上協調不同的UTC時間( 但是直到1967年國際天文學聯合會才採用「世界協調時」這個命名 )[24][25] 。從那以後，每幾個月就會出現時間跳躍的情況，頻率的改變發生在每年的年末。每次跳躍都使時間增加100毫秒，這種UTC時間旨在能和世界時UT2保持很近似[21]。

1967年，國際單位制秒根據銫原子鐘產生的頻率被重新定義，這樣定義的秒實際上和曆書時的秒長度一樣[26]。這個頻率就是1958年以來暫時用於TAI時間的頻率。很快人們發現讓不同長度的UTC秒和SI秒並存於TAI中是不對的。人們認為，時間信號保持在一個恆定的頻率會更好，而那個頻率應該和SI秒相符合。因此，有必要依賴於時間跳躍來保持時間信號和世界時UT很接近。人們在一個被稱為「跳躍原子時」(SAT)的服務中嘗試了這項實驗，SAT時的秒長和TAI時的秒長一致，另外SAT使用了長度為200毫秒的時間階躍來保持其和世界時UT2的同步[7]。

在UTC以及SAT系統中進行頻繁的時間跳躍並不令人滿意。1968年，G. M. R. Winkler以及銫原子鐘的發明人Louis Essen，各自獨立地提出時間階躍的長度應僅為1秒[27]。連同UTC的秒長應和TAI的秒長一致的觀點，這樣的系統最終得到了認可。UTC時間的最後一次不規則時間跳躍發生在1971年底，其長度為0.107758TAI秒，因此UTC時間1972年1月00:00:00恰好等於TAI時間的1972年1月00:00:10，這樣一來UTC和TAI之間的時間差就被調整為了整數秒。同時，UTC時間每秒的變化和TAI的變化精確地一致。另外，UTC時間也開始在時刻上更接近UT1而非UT2。一些報時信號開始播報UT1和UTC之間的修正值DUT1，來滿足那些需要比當前UTC更接近UT1的應用。[28][29]

用途

這套時間系統被應用於許多互聯網和萬維網的標準中，例如，網絡時間協議（NTP, Network Time Protocol）就是世界協調時在互聯網中使用的一種方式。

在軍事中，協調世界時區會使用「Z」來表示。而在航空上，所有使用的時間劃一規定是協調世界時。而且Z在無線電中應以北約音標字母讀作「Zulu」，世界協調時也會被稱為「Zulu time」。比如說飛機在香港時間（UTC+8）18:00整起飛，就會寫成1000z，又或者讀作「1000Zulu」。

日常使用

如果本地時間比UTC時間快，例如中國大陸[註 1]、香港、澳門、臺灣、蒙古國、菲律賓、新加坡、馬來西亞、澳洲西部的時間比UTC快8小時，就會寫作UTC+8，俗稱東八區。相反，如果本地時間比UTC時間慢，例如夏威夷的時間比UTC時間慢10小時，就會寫作UTC-10，俗稱西十區。

極地

所有經線都在南極和北極匯聚，所以任何時區都可以在南極和北極使用。實踐中，極地探險家和科學家只需選擇最方便的時區即可[30]。

參見

註釋

  1. ^ 為了與北京時間保持一致，新疆維吾爾自治區的上下班時間分別調整至上午10點和晚上7點，因此未採用地理上的實際時區。

參考文獻

引用

  1. ^ GB/T 7408-2005 数据元和交换格式 信息交换 日期和时间表示法. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. 2005-03-28. 
  2. ^ CNS 7648-2015 資料元及交換格式–資訊交換–日期及時間的表示法. 
  3. ^ UTC. 樂詞網. 國家教育研究院.  （繁體中文）
  4. ^ 協調世界時(UTC). 香港天文台. [2020-09-10]. （原始內容存檔於2020-09-12）. 
  5. ^ 世界協調時 (UTC). 澳門氣象局. [2020-01-16]. （原始內容存檔於2020-01-16）. 
  6. ^ Guinot 2011，第S181頁.
  7. ^ 7.0 7.1 McCarthy & Seidelmann 2009，第227頁.
  8. ^ ITU Radiocommunication Assembly 2002.
  9. ^ Time Service Dept. c. 2009.
  10. ^ National Institute of Standards and Technology 2012.
  11. ^ Why is UTC used as the acronym for Coordinated Universal Time instead of CUT?. [2010-05-12]. （原始內容存檔於2010-07-26）. 
  12. ^ IAU resolutions adopted at the XVIth General Assembly, Grenoble, France, 1976 (PDF). 1976 [2014-02-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-05-02）.  Resolution no. 3 by Commissions 4 (Ephemerides/Ephémérides) and 31 (Time/L'Heure) (near the end of the document) "recommend that the following notations be used in all languages", UT0(i), UT1(i), UT2(i), UTC, UTC(i), UT, where (i) is institution "i".
  13. ^ ITU Radiocommunication Assembly 2002，第3頁.
  14. ^ International Earth Rotation and Reference Systems Service 2011.
  15. ^ McCarthy & Seidelmann 2009，第229頁.
  16. ^ McCarthy & Seidelmann 2009，chapter 4.
  17. ^ History of TAI-UTC c. 2009.
  18. ^ McCarthy & Seidelmann 2009，第217, 227–231頁.
  19. ^ Howse 1997，第133–137頁.
  20. ^ McCarthy & Seidelmann 2009，第10–11頁.
  21. ^ 21.0 21.1 McCarthy & Seidelmann 2009，第226–227頁.
  22. ^ "The second is the duration of 9192631770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the cesium 133 atom." CGPM (1960, Resolution 9, as quoted in Bureau International des Poids et Mesures 2006, 133)
  23. ^ Markowitz et al. 1958.
  24. ^ Nelson & McCarthy 2005，第15頁.
  25. ^ Nelson et al. 2001，第515頁.
  26. ^ Markowitz 1988.
  27. ^ Essen 1968，第161–5頁.
  28. ^ Seidelmann 1992，第85–87頁.
  29. ^ Nelson, Lombardi & Okayama 2005，第46頁.
  30. ^ 在北极和南极使用什么时区？. BBC科學焦點雜誌. [2023-07-21]. （原始內容存檔於2023-07-21）. 

來源

外部連結

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