Abb. 1: Die Genauigkeit der Zeitmessung

Zur Zeit des römischen Reiches wurden noch Sklaven in die Stadt geschickt, um die Zeit zu holen. Diese wurde dann von Sonnen- oder Wasseruhren abgelesen und nach Hause gebracht. Erst ab dem Ende des 13. Jahrhunderts konnten unsere Vorfahren die Zeit von Münster- und Rathausuhren ablesen. Im Jahr 1284 konnte nachweislich die erste mechanische Turmuhr an der Kathedrale von Exeter (England) in Betrieb genommen werden. Zu diesen monumentalen Räderwerkuhren gesellten sich dann im auslaufenden Mittelalter die ersten Zeitmesser in Wohnungen in Form von Wand- und Tischuhren. Die Genauigkeit dieser Uhren war bescheiden. Täglich mußte die Zeit anhand von Sonnenuhren überprüfen werden, denn die Ganggenauigkeit betrug ca. 1 Stunde pro Tag. Entscheidende Fortschritte brachte hier die Erfindung der Pendeluhr von Christian Huygens im Jahr 1656. Im gleichen Jahr entdeckte er die Saturnringe. Mit dem Pendel wurde ein genauer Regler gefunden, da die Schwingungsdauer des Pendels nur von dessen Länge abhängig ist (die Länge des Pendels kann sich aber mit der Temperatur ändern). Rund 10 Jahre später erfand er auch das Unruh-System, ein Schwingungssystem, das auf der Elastizität von Metall beruht und im Prinzip noch heute in Armband- und Taschenuhren eingesetzt wird. Hierfür erhielt Huygens im Jahre 1675 ein Patent. Um 1680 waren die Pendeluhren so genau, dass sie einen Minutenzeiger enthielten. Zuvor war dies eher als optionales Beiwerk gedacht. Bedingung für den genauen Lauf der Uhr war jedoch, dass die Uhr ruhig auf einer Ebene stand. Und genau diese ist auf Schiffen nicht gegeben; Deshalb versagten die Pendeluhren auf Schiffen.

Abb. 2: Der schematische Aufbau einer Atom-Uhr

Die Schiffahrt, treibende Kraft für eine genaue Zeitmessung

Auf Schiffen war eine genaue Bestimmung der Uhrzeit für die Navigation von entscheidender Bedeutung. Auf einem Schiff konnte der Navigator die geografische Breite z.B. aus der Höhe der Mittagssonne mit einem Sextanten sehr genau bestimmen. Zur Ermittlung der geografischen Länge muss aber z.B. der Zeitpunkt des Meridiandurchgangs der Sonne bestimmt werden. Hierzu ist eine äußerst genaue Zeit notwendig, denn vier Sekunden Zeitabweichung entsprechen einem Positionsfehler von 1,8 km am Äquator. Am 22.10.1707 ging ein Großteil der englischen Flotte bei den Scilly Inseln verloren! Admiral Sir Clowdisley Shovel und seine Navigatoren hatten auf dem Rückweg von siegreichen Schlachten die Position der Flotte so falsch ermittelt, dass die Schiffe an Felsen zerschellten (Ironie des Schicksals: Der Admiral hatte zuvor einen Matrosen am Mast erhängen lassen, weil dieser behauptet hat, die Navigatoren hätten die Position falsch bestimmt. Für die „niederen“ Matrosen war es nicht erlaubt, den Navigatoren zu widersprechen. Der Admiral selbst überlebte das Unglück und wurde an Land gespült, wurde aber dann ermordet). Wegen diesem Unglück befasste sich das House of Commons mit der Problematik der Längengradbestimmung auf See. Am 8. Juli 1714 schrieb Queen Anne einen Preis für die Längenbestimmung auf Seereisen aus: Auf einer Reise nach Westindien (Karibik) betrug das Preisgeld für eine Längenabweichung bis sechzig Meilen: 10.000 Pfund, bis vierzig Meilen: 15.000 Pfund und bis dreißig Meilen: 20.000 Pfund. Erst John Harrison gelang es im Jahr 1761 den Preis mit seinem Chronometer H.4 zu gewinnen [1]. Auf einer zweimonatigen Reise von England nach Jamaica ging die H.4 nur 5 Sekunden falsch, was einer Längenabweichung von weniger als 2 Meilen entsprach. Als der Preis ausgelobt wurde war keineswegs sicher, dass eine genaue Uhr die Siegprämie einbringen würde. Newton trat vehement dafür ein, die Verfinsterung der Jupitermonde für die exakte Zeitbestimmung auf See zu verwenden. Harrison erhielt das Preisgeld erst 1772 also 11 Jahre nach der Fahrt nach Jamaica. Nach vielen Streitereien und Querelen hat sich Harrison persönlich an den König gewandt und nachdem sich dieser von den Erfolgen des Nachfolgemodells H.5 (1772) persönlich überzeugt hatte, wurde das Preisgeld ausbezahlt. Lange konnte sich Harrison nicht daran erfreuen. 3 Jahre später, im Alter von 83 Jahren starb er.

Abb. 3a: Der Zeitkreis – in 60 s wird die gesamte Zeitinformation übertragen

Um die Jahrhundertwende war die Erdrotation die Grundlage für die Berechnung einer Sekunde (1/86400 Teil des mittleren Sonnentages). Um die Genauigkeit zu erhöhen, wurde später als Referenz der Umlauf der Erde um die Sonne als Ausgangsbasis verwendet (1/31556925,9747 Teil des tropischen Jahres 1900 Jan. 0,12 h Weltzeit). Die daraus (im Nachhinein) ermittelte Sekunde war die Ephemeridensekunde. Als dann die Eigenschwingung von Quarzen zur Zeitbestimmung herangezogen wurde, bemerkten die Wissenschaftler, dass die früheren Standards Schwankungen unterworfen waren. Abb. 1 gibt einen ungefähren Überblick über die Genauigkeit der Zeitmessung. Seit Juli 1970 ist die gesetzliche Zeiteinheit in der Bundesrepublik Deutschland die Atomsekunde. Die Definition finden Sie in der DIN 1301. Dies hört sich dann so an: „1 s ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung des Nuklids Cäsium (133 CS).“ Dabei handelt es sich um ein nicht radioaktives Isotop des Cäsiumatoms.Abb. 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Atomuhr. In einer Quelle S wird Cäsium verdampft. Durch den Zustandsdetektor ZS werden Atome mit einem bestimmten Energiezustand herausgesiebt. Durch A gelangen wiederum nur Atome die einen bestimmten Energiezustand verloren haben, und zwar den, der der Frequenz von 9.192.631.770 Hz entspricht. Man regelt nun den Quarzoszillator so ein, dass das Signal bei D ein Maximum erreicht. Die Frequenz des Quarzoszillators wird dann elektronisch ausgewertet und aufaddiert. Nach jeweils 9.192.631.770 Impulsen wird die Uhr um eine Sekunde weitergeschaltet. Eine Atomuhr ist also eine Quarzuhr bei der die Frequenz des Cäsiumatoms genutzt wird um den Quarzoszillator zu steuern. Oft wird gesagt, dass diese Uhr eine Abweichung von1 s in 300000 Jahren hat. Damit ist der Gangunterschied mehrerer Atomuhren gemeint. Wenn wir also mehrere Atomuhren nebeneinander stellen, so weichen diese in 300000 Jahren maximal 1 s voneinander ab. Die neuesten Atomuhren (CSF1 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) haben eine Gangunsicherheit von einer Sekunde in dreißig Millionen Jahren. Damit diese gleichförmige Zeit nicht mehr als 0,75 s von der UT (Zeit in Greenwich, die aus astronomischen Messungen abgeleitet wird) abweicht, werden hin und wieder Schaltsekunden eingefügt. Diese Korrekturen werden am 30. Juni und 31. Dezember eingefügt. Die ausgesendete Zeit heißt UTC (coordinated universal time). Die Abweichungen liegen mitunter an Massen-Verlagerungen im Erdinneren. Die Beobachtung der Erdrotation wird mit verschiedenen Techniken und Atomuhren als Zeitreferenzen überwacht. Die Ergebnisse werden vom International Earth Rotation Service [2] dokumentiert. Am 22. Juli 2004 wurde beschlossen im Jahre 2004 keine Schaltsekunden einzufügen.

Abb. 3b: Die Signale „logisch1“ und „logisch 0

Die Gesetzliche Zeit in Deutschland

Noch vor gut 100 Jahren gab es im deutschen Reich keine einheitliche Zeit. Die Ortszeit war das Maß der Dinge (Sonne steht im Süden). Erst mit der Erfindung der Eisenbahn und der Einführung von Fahrplänen für Züge musste eine einheitliche Zeit gefunden werden. Daher wurde im März 1893 im Reichs-Gesetzblatt folgendes veröffentlicht: „Gesetz betreffend der Einführung einer Einheitlichen Zeitbestimmung“. In der amtlichen Verlautbarung steht: “Wir Wilhelm von Gottes Gnaden Deutscher Kaiser, König von Preußen verordnen …., was folgt: Die gesetzliche Zeit in Deutschland ist die mittlere Sonnenzeit des fünfzehnten Längengrades von Greenwich“, jener Sternwarte bei London, die bereits Jahre vorher von anderen Staaten als Nullmeridian anerkannt wurde. In der Bundesrepublik ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) [3] in Braunschweig als Oberbehörde für das Einheiten- und Eichwesen auch für die genaue Zeitangabe zuständig. Rechtsgrundlage ist das Gesetz über die Zeitbestimmung (ZeitG).Auszug aus dem Gesetz über die Zeitbestimmung: § 2 Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit Die gesetzliche Zeit wird von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt dargestellt und verbreitet. Damit ist aber über die Sekunde noch nichts ausgesagt. Welche Einheiten in Deutschland gesetzlich vorgeschrieben sind, ist im Anhang der Ausführungsverordnung zum Gesetz über Einheiten im Messwesen (Einheitenverordnung EinhV) geregelt.Auszug aus der Ausführungsverordnung zum Gesetz über Einheiten im Messwesen: §1 Abs. 2 Für die Einheiten in Anlage 1 gelten die in DIN 1301 Teil 1, Ausgabe Dezember 1993 wiedergegebenen Definitionen und Beziehungen. Der Gesetzgeber verweist hier auf das Deutsche Institut für Normung. Die dort getroffene Definition wurde oben schon zitiert.Um diesem Gesetz Folge zu leisten strahlt die PTB das so genannte DCF77-Signal von einem Sendeturm in Mainflingen bei Frankfurt/Main aus. Die Sendeleistung beträgt ca. 30 kW Und ist damit im Umkreis von ca. 2000 km zu empfangen. Das Signal wird im Langwellenbereich von 77,5 kHz ausgestrahlt. Die Langwellen haben den Vorteil, dass sie auch Gebäude und große Werkshallen durchdringen. Das Zeitsignal kann so ohne Außenantenne in geschlossenen Gebäuden empfangen werden kann. Der Empfang ist gebührenfrei.

Abb. 4: Funkuhren für Sternfreunde als Selbstbaumodul, Tischuhr und Armbanduhr

Wie sieht das DCF-Signal nun aus?

Zunächst wird jede Sekunde (mit Ausnahme der 59. Sekunde) ein Impuls gesendet. Wird dieser Impuls 100 Millisekunden [ms] lang gesendet, entspricht dies einer logischen Null. Wird der Impuls 200 Millisekunden lang gesendet, entspricht dies einer logischen Eins entsprechend Abb. 3a. Die gesamte Datums- und Zeitinformation wird innerhalb einer Minute übertragen. Dazu stehen 59 Bit zur Verfügung (Abb. 3b). Die Übertragung findet synchron zum Sekundenrhythmus statt. Die Sekunde beginnt jeweils mit der fallenden Flanke. Durch das Fehlen der 59 Sekunde wird der Beginn einer neuen Minute mitgeteilt. Wenn sich eine Funkuhr automatisch stellt, dauert es mindestens 1 Minute, maximal 2 Minuten bis die gesamte Zeitinformation erfasst ist. Wird nun eine Funkuhr eingeschaltet, „wartet“ die Elektronik bis einmal eine Sekunde nicht übertragen wird und weiß dann, dass jetzt die neue Minute beginnt (Abb. 3a). M ist die so genannte Minutenmarke, die weiteren 14 Sekunden sind noch frei. Wird für die 15. Sekunde das Sekundensignal 100 ms übertragen so ist dies ein Hinweis, dass über die Betriebsantenne gesendet wird. Wird die Sekunde 200 ms lang übertragen ist dies ein Hinweis, dass mit der Reserveantenne gesendet wird. In der 16. Sekunde wird der Übergang von Sommer auf Winterzeit oder zurück angekündigt. Die Umstellung von Sommer auf Winterzeit wird 1 Stunde lang vor der Umstellung gesendet (A: Ankündigungsbit). Vor der Umstellung der Zeit wird die 16. Sekunde eine Stunde lang mit 200 ms gesendet, ansonsten das ganze Jahr über mit 100 ms. Die 17. und 18. Sekunde zeigen die Sommer bzw. Winterzeit an. Wird die 17. Sekunde 100 ms und 18. Sekunde 200 ms gesendet bedeutet dies MEZ. Umgekehrt MESZ. Übrigens: Beginn und Ende der Sommerzeit sind nicht gesetzlich geregelt, sondern werden von der Bundesregierung für jeweils drei bis fünf Jahre im Voraus bestimmt.Auszug aus dem Gesetz über die Zeitbestimmung: § 3 Ermächtigung zur Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit (1) Die Bundesregierung wird ermächtigt, zur besseren Ausnutzung der Tageshelligkeit und zur Angleichung der Zeitzählung an diejenige benachbarter Staaten durch Rechtsverordnung für einen Zeitraum zwischen dem 1. März und dem 31. Oktober die mitteleuropäische Sommerzeit einzuführen. (2) Die mitteleuropäische Sommerzeit soll jeweils an einem Sonntag beginnen und enden. Die Bundesregierung bestimmt in der Rechtsverordnung nach Absatz 1 den Tag und die Uhrzeit, zu der die mitteleuropäische Sommerzeit beginnt und endet, sowie die Bezeichnung der am Ende der mitteleuropäischen Sommerzeit doppelt erscheinenden Stunde. Mit der 19. Sekunde wird das Einfügen einer Schaltsekunde angekündigt. Gesendet wird dieses Bit 1 Stunde lang vor dem Einfügen der Schaltsekunde, die dann in der 59. Sekunde eingefügt wird. S ist das Startbit für die codierte Zeitübertragung. Als Bespiel soll hier die Übertragung des 12. August 2004 14.30 Uhr beschrieben werden. Um die 30 Minuten zu codieren werden die 25. und 26. Sekunde mit 200 ms gesendet, denn 10 + 20 ergibt die 30 Minuten. Um die 14 Stunden zu codieren werden die 31. und 33. Sekunde mit 200 ms gesendet, denn 4 + 10 = 14 Stunden. Um den Wochentag zu codieren werden die 37. und 40. Sekunde mit 200 ms übertragen, denn 2 + 10 = 12 Beim Zeitsender ist der Montag der erste Tag, für den Donnerstag (4. Tag) wird die 44. Sekunde mit 200 ms übertragen. Für den Kalendermonat wird die 48. Sekunde mit 200 ms übertragen und für das Jahr 04 die 52. Sekunde mit 200 ms. Alle anderen Sekunden werden mit 100 ms übertragen. Somit ist die Information vollständig. P1, P2 und P3 stellen Prüfbits dar.

Ausblick
Funkuhren sind zur Zeit ab ca. 10 Euro zu haben. Discounter bieten Funkarmbanduhren für ca. 20 Euro an. Für den Standardgebrauch könnten zukünftige Navigationssysteme wie das GPS-System [4] oder das europäische Galileo-System die Funkuhren ablösen. Navigationssysteme senden über Satelliten sehr genaue Zeitsignale aus. Jeder Satellit hat eine Atomuhr an Bord. Aus den Laufzeitunterschieden ermitteln die GPS-Empfänger dann die genaue Position. Seit Einführung des GPS-Systems im Jahre 1980 wurde bei den Satelliten keine Schaltsekunden eingeführt. Die Differenz zwischen der internen GPS-Zeit und der offiziellen Weltzeit UTC hat sich bis heute auf 13 Sekunden aufsummiert. Eine weitere zukünftige Entwicklung ist die Atomuhr im Taschenformat. Ein am NIST (National Institute of Standards and Technology) entwickeltes Modul soll die Fertigung batteriebetriebener Atomuhren ermöglichen. Die Neuentwicklung der Forscher vom NIST mißt nur etwa ein Hundertstel der Größe herkömmlicher Atomuhren und verbraucht nur ein Zehntel der Energie. Die Ganggenauigkeit liegt bei etwa 1 s in 300 Jahren. Für Sternfreunde gibt es zu Funkuhren Abb. 4 zurzeit keine Alternative. Genauigkeit und Preis lassen keine Wünsche offen.

[1] http://rubens.anu.edu.au/student.projects97/naval/
[2] http://www.iers.org
[3] http://www.ptb.de
[4] http://www.metaresearch.org/cosmology/ gps-relativity.aspBilduntertitel