Zeitzeichen

Als ich an diesem Sonntagmorgen zum ersten Mal die Augen öffnete und auf den Funkwecker neben meinem Kopfkissen blickte, zeigte dieser 11:04 Uhr.  Gut, die letzte Nacht war lang, aber dafür sind Sonntage ja da. Wie morgens so üblich schnappte ich mir mein iPad und klickte mich durch die aktuellen Neuigkeiten. Nach einer Weile schaute ich dort auf die Uhr am oberen Displayrand: 12:24. Moment! Das waren jetzt doch unmöglich eine Stunde und zwanzig Minuten, die ich mit Lesen verbracht habe?

Ein Blick auf das iPhone: 12:24. Ein Blick auf den Funkwecker: 11:24. Was stimmt denn nun? Der Himmel ist so bewölkt, dass ich die Sonne nicht sehen kann, um daraus die Stunde zu interpolieren. Nach zwei Jahren in diesem Schlafzimmer bekomme ich es recht gut hin, mittels des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen durch die Schlitze der Rollläden die ungefähre Stunde zu bestimmen. Das Prinzip ist wie bei einer Sonnenuhr – und die funktioniert nur mit direkter Sonneneinstrahlung.

Der erste Gedanke war, dass ich einem Apple-Bug aufgesessen bin. Zwei iOS7-Geräte, die beide eine Stunde vor gehen. Ist ja nichts unübliches, denn Bugs mit Uhrzeiten hatte sich Apple schon geleistet. Und der Funkwecker – so meine Logik – wird mit Zeitzeichen synchronisiert. Der kann nicht falsch gehen! Und wenn, dann zeigt der gar nichts an oder das Symbol, dass sich dieser synchronisiert!

Entwicklung der Zeit

Generell ist es interessant, die Entwicklung der Zeit in der heutigen Form anzusehen. Als Kind lernen wir die Uhr zu lesen und das ist mit das komplizierteste was es in dem Alter gibt. Später lernen wir in Fremdsprachen, die verschiedenen verbalen Uhrzeitangaben (“quarter to one”) und stellen dann fest, dass es selbst im Deutschen keine einheitliche Form gibt (“viertel vor eins” versus “dreiviertel eins”). Dazu kommen die Unterteilungen in zwölf und vierundzwanzig Stunden und scheitern an der Frage, ob im Amerikanischen nach 12 Uhr Mittags dann “A.M.” oder “P.M.” verwendet wird?

Bemerkenswert ist, dass immer wieder die Zahl 12 bei der Bestimmung der Zeit vorkommt. Das Jahr hat 12 Monate. Der Tag hat 2 mal 12 Stunden. Die Stunde 5 mal 12 Minuten und die Minuten 5 mal 12 Sekunden. Zur Erklärung müssen wir ganz weit in der Entwicklung des Menschen zurückgehen. Mindestens 35000 Jahre, also so weit, als der Mensch anfing zu zählen und davon bis heute belegbare Notizen in Form von Kalender-Stöckchen machte.

Der Mensch beobachtete die Natur. Einen Tag festzustellen ist ziemlich simpel. Das ist einfach genommen eine Rotation um die eigene Erdachse, also ein Mal der Durchlauf von Sonnenaufgang über Sonnenuntergang bis zum nächsten Sonnenaufgang. Weiterhin konnte der Mond beobachtet werden. Während die Erde ein Mal um die Sonne rotiert, bewegt sich der Mond (etwa) 12 mal um die Erde. Damit waren die Monate (daher der Name) festgelegt. Da die 29 ½ Tage des Mondumlaufs nicht exakt in die 365 ¼  Tage des Jahres passten, sondern etwas mehr als ⅓ länger ist, wurde schon in alten Kalendern alle drei bis vier Jahre ein Monat zusätzlich eingeschoben. Heute sind die Monate alle etwas länger und es wird nur noch der  ¼ verlängerte Tag des Sonnenjahres durch einen Schalttag ausgeglichen.

Dennoch war die Zahl 12 etwas besonderes und viele Rechnungen basieren auf dem Duodezimalsystem und dem damit verbundenen Sexagesimalsystem (basierend auf der 60). Diese wurden zur Einteilung des Tages in zwei 12-Stunden-Abschnitte verwendet: 12 Stunden vom Sonnenaufgang bis zum -untergang und dann noch mal 12 Stunden bis zum nächsten Sonnenaufgang. Diese Entwicklung geschah im Nahen Osten und dem altertümlichen Ägypten, also Breiten, in denen zu jeder Jahreszeit die Sonne komplett untergeht. Im hohen Norden, nördlich der Wendekreise, würde es bei dieser Zählung nur eine Zeitskala geben, da die Sonne dort im Sommerhalbjahr nie untergeht oder im Winterhalbjahr nie aufgeht.

Dennoch sind die Tage in der Mittelmeerregion nie gleich lang. Dadurch, dass die Erdachse um etwa 23,5 ° gegenüber der Bahn um die Sonne geneigt ist, gibt es die Jahreszeiten und unterschiedlich lange Tage. Nur an den Tagen Frühlings- und Herbstanfang waren die 12 Stunden exakt 12 Stunden nach heutigen Maßstäben lang. Im Sommer war eine Tagesstunde länger und im Winter eine Nachtstunde. Die Uhrzeit wurde zumindest bei Sonnenschein mit Sonnenuhren gemessen – ähnlich wie ich es vorhin schon mit meinem Rollladen beschrieb.

Für die Nachtstunden wurden verschiedene Ansätze genutzt. Zum einen konnte der Mond verwendet werden – zumindest bei Vollmond, wenn dieser exakt auf der Geraden von Sonne über die Erde steht, ist dieser von Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang zu sehen. Ansonsten gab es interessante Konstruktionen von Wasseruhren über Sanduhren bis hin zu Kerzen, die eine bestimmte Zeit zum Abbrennen brauchen oder auf denen Zeitmarkierungen eingeritzt waren.

Gleichbleibende Stunde

Mit fortschreitender Entwicklung der Technik konnten ab dem 14. Jahrhundert Apparate gebaut werden, die fortlaufend liefen und die Zeit mit Hilfe von Pendel und Unrast gleichbleibend anzeigten. Zuerst in großen Uhren, bei denen sich darauf geeinigt wurde, den Tag weiterhin in 24 Stunden, aber zu gleichen Anteilen aufzuteilen. Das war die Geburt der heute noch verwendeten Stunde. Als geeignet für solch eine Uhr war ein zentrales Gebäude, was in Mitteleuropa in nahezu jedem Ort vorhanden war: der Kirchturm. Dort war Platz und dieser war weithin sichtbar.  Außerdem gaben schon früher Mönche durch ihre Glockenschläge die Zeit für den Ort an.

Mit der Entwicklung der Feinmechanik konnten die Uhren verkleinert werden. Mit einer gespannten Feder wurde die Unruh betrieben, die den Sekundentakt vorgab. Die Miniaturisierung ging so weit, bis Taschenuhren oder Armbanduhren entwickelt wurden.

Länge und Geschwindigkeit

Erst mit der Entwicklung einer präzisen Uhr war es möglich, die Längengrade der Erde anzugeben. Während die Breitengrade mit Hilfe eines Stabes oder später eines Sextanten über den Sonnen- oder Sternenstand bestimmt werden konnte, war es schlicht nicht möglich, den Ort auf der Ost-West-Achse anzugeben. Schiffe fuhren an Küsten entlang bis der gewünschte Breitengrad anhand von Landmarken erreicht war und überquerten erst dann die Ozeane ohne Sichtkontakt zum Land auf genau dieser Breite. Quer und damit den kürzesten Weg fahren, war noch nicht möglich. Den Seefahrenden Nationen war dieses Problem so wichtig, dass mehrmals Preisgelder zur Lösung des Längengradproblems ausgeschrieben wurden.

Erst mit der Entwicklung einer sehr genau gehenden Uhr, die dazu noch den rauen Bedingungen auf See gewachsen war, konnte das Problem gelöst werden. Einer der ersten Anwender war James Cook, der dieses für seine Weltumrundungen einsetzte. Dazu wurde eine Uhr auf die Ortszeit des Heimathafens festgelegt. Mit der Differenz zur Ortszeit auf See, die sich über den Zenit der Sonne bestimmen lässt, kann die Breite berechnet werden. Dazu ist es wieder mal von Vorteil, dass sowohl Uhren als auch Kreis- bzw. Kugelangaben ein Zahlensystem basierend auf dem Sexagesimalsystem verwenden.

Neben den Längenangaben konnte auch eine exakte Geschwindigkeit ermittelt werden. Mit dem Log, ein Seil mit Knoten, das hinter dem Schiff im Fahrwasser frei ausgerollt wird, ergab sich die heute noch gültige Geschwindigkeitsangabe “Knoten pro Stunde”.

Industrialisierung

Die Industrialisierung brachte für den Menschen mehrere große Änderungen zur Nutzung der Zeit. War es zur landwirtschaftlichen Ära üblich, dass der Mensch mit Sonnenaufgang aufstand und mit Sonnenuntergang zu Bett ging, so konnten die großen Maschinen nicht einfach zur Nacht abgeschaltet werden. Die Schichtarbeit wurde eingeführt und die Fabrikuhr gab den Takt für das Leben der Bevölkerung vor. Mit der Entwicklung von Elektrizität und damit der Glühlampe, konnte die Nacht zum Tag gemacht werden. Es gab keine Ruhezeiten mehr.

Ein anderes, zu lösendes Problem, sind die Ortszeiten. Auch mit der Einführung der gleichlaufenden mechanischen Uhr, war Mittag dann, wenn die Sonne im Zenit stand. Von einem Ort zum nächsten macht das keinen großen Unterschied. Jedoch bei größeren Abständen. So richtig bewusst wurde mir das, als ich in den späten 90er Jahren Bilder von Webcams sah. Während ich im Ruhrpott saß und dort noch die Sonne schien, war diese in Berlin bereits untergegangen. Orte auf demselben Breitengrad mit einem Abstand von 15 Längengraden haben beim Sonnenlicht einen Unterschied von einer Stunde. Zwischen Ruhrpott und Berlin kommt noch ein wenig die Nord-Süd-Verschiebung hinzu, was letzten Endes eine gute halbe Stunde Differenz bei Sonnenauf- und -untergang ausmacht.

Durch schnell fahrende Verkehrsmittel, wie die Eisenbahn, wurde es notwendig, einen einheitlichen Fahrplan zu entwickeln, der nicht von der Ortszeit der angefahrenen Bahnhöfe abhängig ist. 1884 wurden auf der Washingtoner Internationalen Meridiankonferenz, die Greenwich als den Längengrad 0 bestimmte, auch gleichzeitig die Zeitzonen verabschiedet. In den vielen einzelnen Ländern Deutschlands wurde die Mitteleuropäische Zeit zwischen 1892 und 1893 zum Gesetz und damit allgemeingültig.

Atomzeit

Mit dem Atomzeitalter in der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Atomuhr entwickelt. Prinzipiell ist dieses “nur” eine Phasenregelschleife (“phase-locked loop”, kurz PLL), wie sie auch in der Funktechnik mit Hilfe von Schwingquarzen eingesetzt wird. Bei der Atomuhr werden die Schwingungen durch die Strahlenübergänge von Elektronen freier Atome als Grundlage genommen. Diese sind dauerhaft gleichbleibend. Das hatte zur Folge, dass nicht mehr die Erdumdrehung als Grundlage der Zeit (eine Sekunde war der 1/86400 Teil eines mittleren Sonnentages) verwendet wurde, sondern die Sekunde nun physikalisch korrekt seit 1967 folgendermaßen definiert ist:

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. (Quelle)

Weltweit existieren 260 dieser Primäruhren, deren Zeit nach Paris übermittelt wird, aus der die Internationale Atomzeit bestimmt wird. Seit Einsteins Relativitätstheorie ist bekannt, dass Zeit nicht absolut ist und zusammen mit dem Raum und Masse eine Einheit bildet. Je weiter weg vom Massepunkt der Erde eine Atomuhr betrieben wird, umso schneller läuft sie im Vergleich zu den auf der Erde hinterlassenen Uhren. Am bekanntesten ist das 1971 durchgeführte Hafele-Keating-Experiment mit Atomuhren an Bord von die Erde umkreisenden Flugzeugen.

Die Effekte der relativistischen Zeitdilatation sind bekannt und können berechnet werden. Die Atomuhren der GPS-Satelliten laufen beispielsweise etwas schneller als auf der Erde. Das Problem wird einfach dadurch behoben, dass die Schwingungsfrequenz der Atomuhren leicht verstimmt wird, weshalb sie langsamer laufen.

Eine andere Sache sind Schaltsekunden, die durch die Gezeitenwirkung des Mondes entstehen. Diese bewirkt, dass sich die Erde langsamer dreht. Das ist nicht linear und vorhersehbar, aber messbar, weshalb alle paar Jahre (oder sogar auch halbe Jahre) eine Schaltsekunde eingefügt wird. Dieses wird ebenso weltweit koordiniert.

Zeitzeichensender

Das Signal einer Atomuhr, die mit der “offiziellen” Atomuhr bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig synchronisiert ist, wird in Deutschland seit 1959 über die Langwellenfrequenz 77,5kHz mit einem 50kW Träger vom Sender Mainflingen bei Aschaffenburg ausgesendet. Dieses als DCF77 bekannte Signal lässt sich in ganz Zentraleuropa empfangen.

In einem sogenannten Wasserfalldiagramm, was auf der x-Achse die Frequenz und auf der y-Achse die Zeit aufgetragen hat, sieht das Signal folgendermaßen aus:

WebSDR DCF77

 

Das Bild ist ein Screenshot vom WebSDR der Universität Twente in den Niederlanden (Frequenz auf 77,5kHz eingestellt, Bandbreite AM-nrw). Einfach mal selbst auf die Seite gehen und sich dazu den Ton anhören. Auf dem Bild ist das helle Signal in der Mitte der Träger. Wenn dieser abgesenkt wird, erscheint das Signal blau. Wie auch im Bild zu sehen ist, kommt ein regelmäßiges, sekündliches Knacken. Hier werden die Informationen über die Zeit übertragen.

Ein Mal in der Minute, zwischen der Sekunde 58 und 00, gibt es keine Absenkung des Signals. Das dient der Synchronisierung für die kommenden Informationen und wird als Bit 0 bezeichnet. Bei jeder Absenkung können Informationen übertragen werden, also pro Minute 60 Bits. Nun ist es entscheidend, ob das Signal für 100ms, was einer logischen 0, oder für 200ms, was einer logischen 1 entspricht, abgesenkt wird. Die ersten 14 Bits einer Minute enthalten Informationen des Katastrophenschutzes oder Wetterinformationen (214 sind 16384 unterschiedliche Informationen). Danach folgen 5 Bit, die Informationen über die Sommer- und Winterzeit oder Schaltsekunde beinhalten. In den letzten 40 Sekunden erfolgt die Übertragung der Stunde, Minute und des Datums im BCD-Code mit Prüfbit.

Eine Funkuhr braucht also etwa zwei Minuten, um sich auf den Sender einzustellen und alle Daten zu empfangen.

Der falsch laufende Funkwecker

Nach einem Uhrenvergleich zweier weiterer von meinem Bett erreichbaren Uhren – meiner Armbanduhr und dem Kindle – war ich mir sicher, dass der Funkwecker um eine Stunde hinterher hing. Die Ursache lässt sich im Nachhinein nicht richtig feststellen. Dennoch versuche ich mal eine Interpretation:

Da ich den Wecker schon seit vermutlich mehr als 20 Jahren besitze, hatte ich oft genug die Zeit zur Beobachtung der Synchronisation gehabt. Denn eine Funkuhr tickt nicht dauerhaft nach dem Signal, was vom DCF77 ausgesendet wird, sondern läuft auf einer internen Quarzuhr weiter. Stattdessen wird immer wieder mal synchronisiert. Dann blinkt im Display der symbolisierte Sender auf, was immer zwei Minuten vor der vollen Stunde geschieht.

Das oben genannte Protokoll von DCF77 zeigt, dass die Uhrzeit und das Datum mit einem Prüfbit übertragen werden, aber nicht die Information über die Sommer- und Winterzeitumstellung. Von daher vermute ich, dass das Bit mit der Information “am Ende der Stunde wird auf Winterzeit umgestellt” fehlerhaft als eine logische 1 interpretiert wurde – und das in zwei aufeinander folgenden Minuten. Dementsprechend stellte der Wecker seine fortlaufende Uhr zur kommenden Stunde um eine Stunde zurück.

Ein manueller Reset durch kurzzeitiges Entfernen der Batterien brachte binnen zwei Minuten die korrekte Zeit.