Anzeige einer Schaltsekunde auf einer Digitaluhr, die auf die Zeitzone UTC eingestellt ist: Auf 23:59:59 folgt nicht wie sonst 00:00:00, stattdessen wird für eine Sekunde 23:59:60 angezeigt. Erst nach dieser Schaltsekunde wechselt die Anzeige auf 00:00:00.
Die Erde rotiert minimal langsamer, als bei der Definition der Sekunde zugrunde gelegt wurde; ein mittlerer Sonnentag dauert daher um Sekundenbruchteile länger als 86.400Sekunden. Dieser Effekt akkumuliert sich. Deshalb wurde zwischen 1972 und 2016 mehrfach eine Schaltsekunde in die koordinierte Weltzeit (UTC), eine Atomzeitskala, eingefügt, um sie mit der auf der Erdrotation basierenden Weltzeit (UT1), die näherungsweise mit der früher verwendeten Greenwicher mittleren Sonnenzeit (GMT) übereinstimmt, möglichst synchron zu halten (der Betrag der Differenz DUT1 = UT1 − UTC sollte kleiner als 0,9s sein).
In gewisser Weise sind Schaltsekunden mit Schalttagen vergleichbar:
Schalttag: Da die Erde für die Umrundung der Sonne etwas länger als genau 365Tage benötigt, bis sie wieder an der gleichen Stelle ihrer Bahn– etwa am Frühlingspunkt– angelangt ist (die mittlere Bahngeschwindigkeit der Erde ist „zu langsam“), wird ein Schalttag eingefügt, bevor die Abweichung des Kalenders von der tatsächlichen astronomischen Situation einen ganzen Tag überschreitet.
Schaltsekunde: Da die Erde bei ihrer Drehung um sich selbst im Mittel etwas länger als genau 24Stunden– das sind 86.400Sekunden– benötigt, bis die Sonne auf ihrem Tagbogen wieder ihren Höchststand erreicht (die mittlere Eigenrotation der Erde ist „zu langsam“), wird eine Schaltsekunde eingefügt, bevor die Abweichung der koordinierten Weltzeit (die auf der physikalischen Definition der Sekunde beruht) vom mittleren Sonnentag (der auf der astronomischen Definition der Sekunde beruht) eine ganze Sekunde überschreitet.
Da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde nichtperiodische Unregelmäßigkeiten aufweist, die nicht vorausberechenbar sind, erfolgte die Einfügung von Schaltsekunden bei Bedarf und nicht nach einem festen Muster. In den 1980er und 1990er Jahren geschah dies im Mittel etwa alle 18Monate, im 21. Jahrhundert nahm die Häufigkeit ab. Im Jahr 2020 drehte sich die Erde sogar etwas schneller als mit der der Definition der Sekunde zugrunde liegenden Rotationsgeschwindigkeit, sodass man eine negative Schaltsekunde diskutierte.
Am 15. Oktober 2026 wurde beschlossen, die Schaltsekunden abzuschaffen.
Bis in die 1950er Jahre war die Sekunde als 1/86.400 eines mittleren Sonnentages definiert. Eine vom Sonnenstand und damit letztlich von der Erdrotation abgeleitete Zeitskala verläuft jedoch nicht streng gleichförmig, da die Rotationsgeschwindigkeit der Erde unregelmäßigen Schwankungen und einer langfristigen Verlangsamung unterliegt, weshalb gleichförmig hinzugefügte Schaltsekunden im Allgemeinen nicht korrekt sein können.
Da auch die anschließend gültige Ephemeridensekunde den Anforderungen nicht genügte, wird die Sekunde seit 1967 durch eine genau bestimmte Strahlungsfrequenz festgelegt, nämlich als das 9.192.631.770-Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Die so erzeugte gleichförmig verlaufende Zeitskala ist die Internationale Atomzeit (TAI). Die Erdrotation wird dennoch weiter beobachtet; die aus ihr abgeleitete ungleichförmig verlaufende Zeitskala ist die Universal Time UT1, die z.B. für astronomische Zwecke benötigt wird.
Im Jahr 1972 betrug die Differenz zwischen UTC und TAI vor Einführung der Schaltsekunde bereits 10 Sekunden, heute liegt sie bei 37Sekunden.
Obwohl die Sekunde im Laufe der Zeit mehrmals neu definiert wurde, behielt man ihre Länge bei jedem Definitionswechsel so gut wie möglich bei. Daher basiert die Länge der heutigen SI-Sekunde letztlich auf Bestimmungen der Länge des mittleren Sonnentags aus dem späten 19. Jahrhundert. Die Veränderlichkeit des mittleren Sonnentages war damals noch nicht bekannt, und ihre mittlere Länge war aus Beobachtungsmaterial bestimmt worden, das sich hauptsächlich über das 18. und 19. Jahrhundert erstreckte. Als Folge ist die heutige Sekunde repräsentativ für die Länge der astronomisch bestimmten Sekunde etwa zur Mitte des damals ausgewerteten Beobachtungszeitraums, also um 1820. Gegenwärtig ist der Sonnentag einige Millisekunden länger als damals, sodass auch die aus der Erdrotation abgeleitete UT1-Sekunde etwas länger ist als die SI-Sekunde, welche die Verhältnisse vor 200 Jahren widerspiegelt. Zum Ausgleich wurden bis zur Abschaffung (positive) Schaltsekunden in UTC eingefügt, das letzte Mal 2016. Hätte sich die Eigenrotation der Erde so weit beschleunigt, dass der mittlere Sonnentag kürzer als 86.400 SI-Sekunden geworden wäre, hätten auch negative Schaltsekunden „eingefügt“, d. h. einzelne Sekunden ausgelassen werden können.
1962 bis 2021: Abweichung der Tageslängen (−1,2 ms … +4,2 ms) sowie kumulative Verschiebung (−8 s … +27 s) bezogen auf 1972
Die Erdrotation unterliegt aufgrund einer Vielzahl von Einflüssen ständigen Schwankungen. In den letzten Jahrzehnten hat sie sich beschleunigt, langfristig wird sie aber durch die Gezeitenreibung und die Gravitationswirkung des „langsameren“ Mondes gebremst. Darum wird UT1 auf lange Sicht immer langsamer, während TAI streng gleichförmig verläuft.
Die im Alltag verwendete amtliche Zeit sollte sich zweckmäßigerweise am Tag-Nacht-Wechsel, also an der Erdrotation und damit an UT1 orientieren, andererseits ist für technische Zwecke ein streng gleichförmiges Zeitmaß, also TAI, wünschenswert. Als Kompromiss wurde die koordinierte Weltzeit UTC eingeführt. Zeiteinheit für UTC ist wie für TAI die mit Atomuhren gemessene SI-Sekunde. Durch Einfügen von Schaltsekunden wurde erreicht, dass sich UTC nie um mehr als 0,9Sekunden von UT1 entfernt. Auf diese Weise war einerseits gewährleistet, dass die weit verbreitete UTC nicht langfristig von der mittleren Sonnenzeit abdriftet, andererseits steht eine atomuhrgenaue Zeiteinheit zur Verfügung.
Praktische Durchführung
Schaltsekunden wurden in Deutschland von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt festgelegt, die sich dazu an die international vom Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme festgelegten Schaltsekunden hielt. Schaltsekunden wurden vorrangig am 31. Dezember oder 30. Juni, nachrangig am 31. März oder 30. September nach 23:59:59UTC (also vor 01:00MEZ bzw. 02:00MESZ) eingefügt. Seit Einführung des Systems 1972 wurden ausschließlich die Zeitpunkte im Dezember und Juni benutzt.
Die Anweisung, eine Schaltsekunde einzufügen, wurde immer dann gegeben, wenn für die nächste Zukunft zu erwarten war, dass der Unterschied zwischen UTC und UT1 über 0,9Sekunden anwächst. Nach 23:59:59UTC der genannten Tage wurde eine zusätzliche Sekunde bei 23:59:60 eingefügt, bevor die Uhr auf 00:00:00 des Folgetages vorrückte. Das bedeutete, dass der Tag mit der Schaltsekunde aus 86.401 Atomsekunden bestand statt der üblichen 86.400.
Die korrekte Darstellung von 23:59:60 ist jedoch selten auf handelsüblichen Uhren zu sehen. Alle Uhren, die nur von ihrem eigenen Zeitgeber getaktet werden (meist ein Schwingquarz), haben keine Information darüber, wann eine Schaltsekunde zu berücksichtigen ist. Daher können prinzipiell nur solche Uhren eine Schaltsekunde korrekt darstellen, die auf anderem Wege, z.B. Zeitsignal oder NTP, Informationen über eine anstehende Schaltsekunde erhalten. Das Zeitsignal DCF77 enthält die Information, ob am Ende der laufenden Stunde eine (positive) Schaltsekunde einzufügen ist. Wenn eine Funkuhr in diesem Zeitraum das Zeitsignal empfängt, so könnte theoretisch eine korrekte Darstellung erfolgen. Allerdings ist es bei Funkuhren durchaus üblich, das Zeitsignal deutlich seltener zu empfangen (etwa einmal pro Tag), sodass auch hier meist kein Empfang der Schaltsekunde erfolgt. In diesem Fall bleibt die Schaltsekunde zunächst unberücksichtigt, sodass die Uhr zwischen 23:59:59 und dem nächsten Zeitzeichenempfang um eine Sekunde vorgeht.
Seit Ende der 1990er Jahre hat sich die Erdrotation leicht beschleunigt (vor dem Hintergrund der üblichen Schwankungen), sodass (positive) Schaltsekunden seither weniger häufig notwendig waren. Für den Fall, dass die Erdrotation sich noch weiter beschleunigen würde (der mittlere Sonnentag also kürzer als 86400 Sekunden werden würde), waren negative Schaltsekunden vorgesehen. Der Folgetag mit 00:00:00 wäre dann direkt auf 23:59:58 gefolgt. Dieser Fall ist letztlich jedoch nie eingetreten, obwohl es in den 2020er Jahren mehrfach „knapp“ wurde und die Notwendigkeit einer erstmaligen negativen Schaltsekunde in den Bereich des Möglichen rückte.
Das Global Positioning System (GPS) benutzt seit seiner Einführung 1980 eine Atomzeitskala ohne Schaltsekunden, um nicht aus dem Takt zu geraten. Die GPS-Zeit ist daher der UTC mittlerweile (seit der letzten Schaltsekunde Ende 2016) um 18Sekunden voraus. Die aktuelle Differenz wird im GPS-Signal mit übertragen, um bei GPS-Empfängern und -Nutzern die UTC sekundengenau verfügbar zu machen. Das russische GLONASS hingegen berücksichtigt Schaltsekunden.
Abschaffung
Aufgrund der Unregelmäßigkeit der Verlangsamung der Erdrotation war eine Vorhersage, ob und wann eine Schaltsekunde notwendig wurde, nur für die jeweils nähere Zukunft möglich. Es war Aufgabe des Internationalen Dienstes für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS), die Erdrotation zu beobachten und festzustellen, ob eine Schaltsekunde notwendig wurde. Ihre Feststellung wurde im halbjährlich erschienenen BulletinC sechs Monate vor dem Termin veröffentlicht. Die letzte Schaltsekunde wurde am 31. Dezember 2016 (UTC±0) eingefügt.
Da dieser Vorgang jedes Mal eine Fehlerquelle für Computersysteme ist, wurde diskutiert, Schaltsekunden seltener einzufügen oder das System grundsätzlich zu ändern. Wenn etwa auf Schaltstunden umgestellt würde – erst bei einer Abweichung von einer Stunde würde eine ganze Stunde eingefügt –, könnte auf die häufigen, unregelmäßig anfallenden sekundenweisen Anpassungen verzichtet werden. Eine Schaltstunde könnte frühestens in etlichen Jahrhunderten fällig werden.
Im November 2022 votierte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) dafür, spätestens ab 2035 das Einfügen weiterer Schaltsekunden auszusetzen. Nicht zuletzt sollten dadurch ansonsten möglicherweise erstmals notwendig werdende negative Schaltsekunden vermieden werden, die für die betroffenen Systeme – die bislang überwiegend nur mit positiven Schaltsekunden umgehen können – einen enormen Aufwand und ein hohes Risiko bedeutet hätten. Dieser Beschluss wurde im Dezember 2023 von der ITU bestätigt.
Auf der CGPM 2026 wurde letztlich beschlossen, Schaltsekunden schon ab dem 20. Mai 2027 abzuschaffen. Da zuvor bereits feststand, dass es Ende 2026 keine Schaltsekunde geben wird und die nächste Schaltsekunde frühestens Ende Juni 2027 hätte infrage kommen können, bedeutet dies, dass es keine Schaltsekunde mehr geben wird. Formal wurden die Schaltsekunden durch Schaltstunden ersetzt – die Differenz zwischen UTC und UT1 darf künftig maximal 3600 Sekunden (eine Stunde) betragen. Damit sind Schalt-Anpassungen der Uhrzeit de facto für Jahrhunderte ausgeschlossen.
Sonstiges
Das bisher längste Jahr im gregorianischen Kalender in den Zeitzonen UTC±0 und westlich davon war 1972. Es war als Schaltjahr um einen Tag und zwei Schaltsekunden länger als üblich. Das kürzeste Jahr war 1582, als durch die Einführung des gregorianischen Kalenders die zehn Tage zwischen dem 4. und dem 15. Oktober übersprungen wurden.
Die Schaltsekunde am 30. Juni 2012 verursachte weltweit an Servern mit bestimmten Linux-Kernelversionen erhebliche Probleme. Durch einen Programmfehler im Kernel kam es zu einem sogenannten Deadlock. Hauptsächlich betroffen waren Java-basierte Programme und MySQL-Datenbanken. Neben der Fluggesellschaft Qantas, die rund 50 Flüge verschob, waren viele große Websites betroffen, was Fachzeitschriften zu einem Vergleich mit dem Millennium-Bug bewog. Das Unternehmen Google umging das Problem durch einen Trick, bei dem über den ganzen Tag hinweg kleine Zeitinkremente für die Zeitsteuerung des NTP-Servers aufsummiert wurden, bis der Zeitunterschied egalisiert war.
