23

May-June 2

01

2/V

ol.14

, No.6

7

NIMT ศกดา สมกล1 เทพบดนทร บรรกษอราวนทร1,2 สมชาย นวมเศรษฐ2 และทยาทพย ทองตน2

หองปฏบตการแมเหลกไฟฟา1 และ หองปฏบตการเวลาและความถ2 สถาบนมาตรวทยาแหงชาต

ในวนท 1 กรกฎาคม 2555 เวลา 7.00 น. ตอนเชา ตามเวลาทองถนในประเทศไทยจะมการทดเวลาในการสอบเทยบหรอปรบเทยบไปอก 1 วนาท หรอเรยกวา “Leap Second” ทไดประกาศไวโดยส�านกงานชงตวงวดระหวางประเทศ (Bureau International des Poids et Measures : BIPM) ซงเปนหนวยงานทท�าหนาทรกษาเวลามาตรฐานโลก บทความนจงจะกลาวถงทมาทไปของการทดเวลานวาท�าไมตองมการทดเวลา 1 วนาท และอนาคตของวนาททดนจะเปนอยางไร

ววฒนาการทางดานเวลาในอดตเวลา 1 วน ของมนษยนน จะ

เปนการสงเกตการเคลอนทของดวงอาทตยและดวงดาวตางๆ บนทองฟา โดยอาศยต�าแหนงของดวงดาวและเงาของดวงอาทตยททอดลงบนนาฬกาแดดเปนเครองบอกเวลา ซงเวลาในแตละทบนโลก กจะมคาไมเทากนและยงเปลยนแปลงไปตามฤดกาล จนกระทง ค.ศ. 14 ไดมการประดษฐนาฬ กาลกต มทแบ งออกเป น 24 ช วโมง

การปรบเวลาเพมขน 1 วนาทLeap Second

และแตละชวโมงมคาเทากน ท�าใหมมมองทางดานเวลาของมนษยเปลยนไป ท�าใหเราทราบวาโลกหมนรอบตวเองดวยความเรวไมคงทและมแนวโนมวาจะชาลงเรอยๆ [1] ขณะทในปจจบนเวลามาตรฐานโลกจากนาฬกาอะตอมซเซยม (Atomic Cesium Clock) มความเทยงตรงสงมาก ดงนนจงจ�าเปนตองมวธการทท�าใหเวลามาตรฐานโลกสอดคลองกบการหมนของโลกทเรยกวา “วนาททด (Leap Second)” นนเอง

Time Scaleกอนทจะลงรายละเอยดในเรองของ

วนาททด เราควรรพนฐานของระบบเวลาทใช บนโลกกนกอน ปจจบนระบบการวดเวลาสามารถแบงออกไดเปน 2 ระบบ คอ เวลาสรยะ (Solar Time) และ เวลาจากนาฬกาอะตอมซเซยม (Atomic Cesium Time)

• เวลาสรยะ คอ เวลาทโลกใชหมนรอบตวเองในหนงรอบโดยเรมนบตงแตเทยงคน ซงเรยกอยางยอวา UT1 (Universal Time ทขนอย กบการหมนของโลก) โดยทหน วยงาน

ปจจบนระบบการวดเวลาสามารถแบงออกไดเปน 2 ระบบ คอ เวลาสรยะ (Solar Time) และ เวลาจากนาฬกาอะตอมซเซยม (Atomic Cesium Time)

24

May

-Jun

e 2

01

2/V

ol.1

4,

No.

67

International Earth Rotation Service (IERS) ท�าหนาทค�านวณหาเวลาทโลกหมนรอบตวเองโดยใชผลการวดการหมนของโลกเทยบกบต�าแหนงของดวงดาวบนทองฟาทเสน Meridian ทตงอยทเมองกรนช (Greenwich) ในประเทศองกฤษเปนจดอางอง [1]

• เวลาจากนาฬกาอะตอมซเซยม คอ มาตรฐานทางดานเวลาและความถทใชในปจจบน โดยมนยามของวนาท (Second, s) ตาม

หนวยวดสากล (SI Units) คอ ระยะเวลาเทากบ 9 192 631 770 คาบของการแผรงสทสมนยกบการเปลยนระดบไฮเปอรไฟนสองระดบของอะตอมแรซเซยม133 อะตอม (Cs133) ในฐานะพนฐาน ปจจบนนาฬกาอะตอมซเซยมมความเทยงตรงสงมาก โดยมคาผดพลาดอยท 1 วนาท ตอ 60 ลานป ขอดทส�าคญอกประการหนงของนาฬกาอะตอมซเซยม คอ สามารถถายทอดเวลามาตรฐานผานทางระบบดาวเทยมน�าร อง (Global Navigation Satellite System: GNSS) เช น ระบบ GPS ของสหรฐอเมรกา และ GLONASS ของรสเซย การถายทอดเวลามาตรฐานสามารถแสดงได ดงรปท 1 ทมส�านกงานชงตวงวดระหวางประเทศ (BIPM) ท�าหนาทรวบรวมเวลามาตรฐานจากนาฬกาอะตอมซเซยมมากกวา 400 เครอง ทตงอยตามสถาบนมาตรวทยาของประเทศตางๆ จ�านวน 70 ประเทศ [2 ] รวมท งสถาบนมาตรวทยาแห งชาต ประเทศไทย โดยผานทางระบบดาวเทยม GNSS เพอค�านวณหาเวลาทใชอางองระหวางประเทศ TAI (International Atomic Time) เมอน�าเวลา TAI บวกรวมกบวนาททดเพอใหสอดคลองกบเวลาทได จากการโคจรของโลก จะไดเวลามาตรฐานกลางของโลก UTC (Coordinated Universal Time) ซงเรมใชงานนบตงแต ป ค.ศ. 1972

UT1 (Earth Rotation)

IERS

BIPMNational Time Institutes

NIMT

Set leap seconds

+ 7 hours

International Atomic Time (TAI)Weighted Average~ 400 atom clocks from

around 70 labs

Thailand Standard Time

Coordinated Universal Time (UTC)

UTC (NIMT)

รปท 1 แผนภมแสดงระบบเวลามาตรฐาน [3]

25

May-June 2

01

2/V

ol.14

, No.6

7

ท�าไมตองมวนาททดห ล ง จ า ก ท ม ก า ร ค ด ค น น า ฬ ก า

ตมน�าหนกซงไมไดอาศยการโคจรของโลก ท�าให คนพบวาโลกหมนรอบตวเองชาลงเรอยๆ ซงตลอด 2,000 ป ทผานมาโลกไดหมนชาลงไป 3 ชวโมง เนองมาจากแรงตานของน�าขนน�าลง ซงพบวาพลงงานทสญเสยไปในมหาสมทรเนองมาจากแรงตานของน�าขนน�าลง (Tidal Friction) สอดคลองกบเวลาทโลกใชหมนรอบตวเอง [4] ในการศกษาจากวงรอบปซากฟอลซลปะการงยงแสดงใหเหนวาเมอประมาณ 370 ลานปทผานมา โลกหมนรอบตวเอง 385-410 รอบตอการโคจรรอบดวงอาทตย [4] นอกจากนการเปลยนต�าแหนงเพยงเลกนอยของดวงจนทร ดวงอาทตย ดาวเสาร และดาวพฤหส กท�าใหความเรวในการหมนรอบตวเองของโลกเปลยนไปไดเชนกน

เมอเวลาทโลกใชหมนรอบตวเองมคาไมคงท และมแนวโนมวาจะใชเวลานานขน แตในทางตรงกนขามเวลามาตรฐาน UTC ทไดจากนาฬกาอะตอมซเซยมนนมความถกตองและเทยงตรงสงมาก ดงนนความแตกตางระหวางมาตรฐาน UTC เมอเทยบกบเวลากจะมากขน

จนกระทงเวลาพระอาทตยขนลงเปลยนไป ส�านกงานชงตวงวดระหวางประเทศ (BIPM) มหนาทในการรกษาเวลามาตรฐาน UTC ใหสอดคลองกบความเปนจรงตามธรรมชาต โดยการเ พมหรอลดวนาททดน เข าไปในเวลามาตรฐาน UTC ดงแผนภมในรปท 1 ถาไมมวนาททดนจะท�าใหความแตกตางของเวลามาตรฐาน UTC กบเวลาทโลกหมนรอบตวเองเปนหนงชวโมงเมอผานไป 550 ป ในการตดสนใจวาจะเพมหรอลดวนาททดนเมอใดเปนหนาทของ International Earth Rotation Service โดยใหผลต างระหว างเวลาระบบสรยะกบเวลามาตรฐาน UTC ไมเกน 0.9 วนาท (|UT1 – UTC |< 0.9 s) ดงนน วนาททดนจงสามารถเปนไปไดทงคาบวกและลบ แตอดตทผานมานบตงแต ถกน�ามาใชครงแรก ตงแตป ค.ศ. 1972 วนาททดมคาเปนบวกทงสน ดงแสดงในรปท 2 [1]

International Earth Rotation Service จะมการประกาศทกปๆ ละ 2 ครง วาจะมการชดเชยวนาททดหรอไม การทดเวลานไมเหมอนกบการเพมวนท 29 กมภาพนธของปทเรยกวา “Leap Year” เพราะวนาททดจะเกดขนพรอมกน

รปท 2 ผลตางระหวางเวลาโคจรรอบตวเองของโลกและเวลามาตรฐานกลางของโลก (UT1-UTC) [6]

26

May

-Jun

e 2

01

2/V

ol.1

4,

No.

67 ทวโลกตอนเทยงคนตามเวลามาตรฐาน UTC ในวนท 30 มถนายน และ 31 ธนวาคม เชน วนาททด

ทเกดขนเวลาเทยงคนของวนท 31 ธนวาคม ในประเทศองกฤษ แตในประเทศไทยจะตรงกบเวลา 7.00 น. ของวนท 1 มกราคม ตามเวลาประเทศไทย

ในกรณทวนาททดเปนบวกนาฬกาทรองรบวนาททดอาจจะแสดงผล ดงน

23h 59m 59s -> 23h 59m 60s -> 00h 00m 00sแตถาวนาททดเปนลบการแสดงผลของนาฬกากจะกระโดดจาก ดงน

23h 59m 58s -> 00h 00m 00sซงจะตรงกบความหมายของค�าวา “Leap” มากทสด การทดเวลาครงถดไปจะเกดขนตอน

เทยงคนตามเวลามาตรฐาน UTC ในวนท 30 มถนายน 2555 ซงจะตรงกบเวลา 7.00 น. วนท 1 กรกฎาคม 2555 ตามเวลาทองถนของประเทศไทย

ประโยชนของ Leap Secondประโยชนอนดบแรกทใกลตวเรามากทสด คอ เวลามาตรฐานทเราใชในชวตประจ�าวน

สอดคลองกบการหมนรอบตวเองของโลก ถาไมมวนาททดนจะท�าใหผลตางของเวลาทโลกหมนรอบตวเองกบเวลามาตรฐาน UTC เปนหนงชวโมงเมอผานไป 550 ป นนหมายความวาพระอาทตยจะขนเรวกวาในปจจบน 1 ชวโมง

นอกจากนนในปจจบนนกดาราศาสตรและเจาหนาทภาคพนดนของสถานดาวเทยมใชเวลามาตรฐาน UTC จากทางดาวเทยมในการประมาณเวลาทโลกหมนรอบตวเองเพอใชในการหาต�าแหนงบนพนโลก ซงในปจจบนผลตางระหวางเวลาทงสองถกรกษาใหไมเกน 1 วนาท แตถาไมมการชดเชยวนาททดนจะท�าใหผลตางระหวางเวลาทโลกหมนรอบตวเองกบเวลามาตรฐาน UTC มคามากเกนกวา 1 วนาท ท�าใหมความยงยากทจะไปแกไขรปแบบการสงขอมลและโปรแกรมคอมพวเตอรของระบบสอสาร

27

May-June 2

01

2/V

ol.14

, No.6

7

อนาคตของวนาททดถงแมวาขอดของวนาททดท�าใหเวลา

มาตรฐาน UTC สอดคลองกบการหมนรอบ ตวเองของโลก แตเ นองจากปจจบนระบบคอมพวเตอรของธรกจตางๆ เชน ธนาคาร สวนใหญจะมการเชอมตอทางอนเตอรเนต และระบบสอสารระหวางประเทศสวนใหญ ซงเมอการความผดพลาดเพยงเสยววนาทกอาจจะ สงผลกระทบตอเงนจ�านวนมหาศาล ดงนน Time Synchronization จงเปนสงส�าคญ แตเนองจากระยะเวลาของการทดเวลานเกดขนไมแนนอนขนอยกบการหมนรอบตวเองของโลก ซงอาจจะท�าใหระบบ Time Synchronization หลดออกจากกนได นอกจากนนระบบคอมพวเตอรอาจจะเกดมปญหาเมอเวลาในระบบเปลยนจาก “59 s” เปน “60 s” อกดวย ดงนนจงไดมการเสนอวธการหลากหลายเพอใหเวลามาตรฐานสอดคลองกบการหมนรอบตวเองของโลกขน [1] ตวอยางเชน

- เพมส วนตางระหวางเวลาหมน รอบตวเองของโลกกบเวลามาตรฐาน UTC วธนท�าใหลดจ�านวนครงในการทดเวลา ซงอาจจะเปน “นาททด (Leap Minute)” แทน วนาททด

- ก�าหนดระยะเวลาทแนนอนในการทดเวลา ซงมขอดคอเราสามารถทราบเวลาทแนนอนในการทดเวลา เชน ทกวนท 29 กมภาพนธ แตอยางไรกตามจ�านวนวนาททถกทดเพมเขาไปในเวลามาตรฐาน UTC อาจจะมากกวา 1 วนาท ตามสภาวะการหมนรอบตวเองของโลกในชวงเวลานน

- ในการยกเลกวนาททดโดยใชเวลามาตรฐาน UTC ในปจจบนซงไมมการทดเวลาตอไปเรอยๆ เมอสนสดศตวรรตท 21 คาดวาความแตกตางระหวางเวลาหมนรอบตวเองของโลกกบเวลามาตรฐาน UTC จะเปน 2.5 นาท ซงไมม นยส�าคญเมอเทยบกบเวลาทแตกแตงระหวาง? Time Zone และการปรบเวลาในชวงหนาหนาว 1 ชงโมง ส�าหรบ Daylight Saving

อ ย า ง ไ ร ก ต า ม ใ น ท ป ร ะ ช ม ข อ ง Radiocommunicat ion Sector of the International Telecommunications Union (ITU-R) เมอเดอนมกราคม 2555 (ค.ศ. 2012) ไดชะลอการตดสนวาจะยกเลกวนาททดหรอไมจนกระทงการประชมครงถดไปในป ค.ศ. 2015 เพอศกษาผลกระทบตอการยกเลกวนาททดอยางละเอยด [7] โดยท ITU-R เปนหนวยงานทก�าหนดนยามของเวลามาตรฐาน UTC

เอกสารอางอง[1] Nelson R. A., McCarthy, Malys S., Levine J., Guinot B., Fliegel H. F., Beard R. L., and Bartholomew, Metrologia, 2001, 38, 509-529.[2] BIPM Annual Report on Time Activities, Volume 5, 2010, http://www.bipm.org/utils/en/pdf / t ime_ann_rep/T ime_annual_report_2010.pdf[3] เวลามาตรฐาน, http://www.nimt.or.th/nimt/Service/index.php?menuName=time[4] Yoder C. F., Williams J. G., Dickey J. O., Schutz B. E., Eanes R. J., Tapley B. D., Nature, 1983, 303, 757- 762.[5] Wells J. W., Nature, 1963, 197, 948-950.[6] Leap Second, http://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second[7] International Telecommunications Union Newsroom, http://www.itu.int/net/pressoffice/press_releases/2012/03.aspx