Unabhängig vom Schalttag gibt es auch eine Schaltsekunde, die zusätzlich in die laufende Uhrzeit eingefügt wird. Dies geschieht aber nicht so regelmäßig, z.B. alle 4 Jahre wie beim Schalttag, sondern nach Bedarf. Dazu muss man wissen, dass sich die Erde ein ganz klein wenig ungleichmäßig um sich selbst dreht. Eine Ursache dafür ist die ungleiche Masseverteilung auf der Erde. Sie hat nunmal keine ideale Kugelgestalt, sondern ist leicht verbeult.
Eine andere Ursache ist der Mond, dessen Schwerkraftwirkung auf die Erde Ebbe und Flut der Weltmeere auslöst. Dabei kommt es zur Gezeitenreibung, die die Erde auf lange Sicht hin abbremst. Die Erde rotiert also ganz sacht immer langsamer. In der Konsequenz werden die Tage immer länger. Die Erdrotation ist also kein zuverlässiger Zeitgeber. Für den Alltag spielt das keine Rolle, aber für technische Zwecke ist ein gleichförmiges und genaues Zeitmaß unerlässlich.
Früher - die Astronomische Zeitskala UT1
Wie lässt sich die genaue Länge einer Sekunde bestimmen?
Nun, man teilt einfach die über ein Jahr gemittelte Tageslänge durch 24 Stunden, dann durch 60 Minuten und noch durch 60 Sekunden. Damit haben wir die Länge einer einzelnen Sekunde. Genau diese Länge wurde im Jahr 1820 als Länge einer Sekunde standardmäßig festgelegt. Dieses Zeitmaß ist heute bekannt unter der Bezeichnung Astronomische Zeitskala UT1 (Universal Time 1 - universelle Zeit 1). Damals war allerdings noch nicht wirklich bekannt, dass die Erdrotation nicht gleichmäßig verläuft.
Heute - Internationale Atomzeit TAI
Vollzieht man die gleiche Rechnung heute erneut (also Tageslänge/24h/60Minuten/60Sekunden), kommt man auf eine abweichende Länge der Sekunde im Vergleich zu der von 1820. Der Grund dafür ist die Erdrotation, die sich seit 1820 verlangsamt hat. Unsere heutigen Sekunden sind also ein klein wenig länger als die Sekunden aus dem 18. und 19. Jahrhundert, die den Maßstab der UT1 bilden.
Im 20. Jahrhundert entschloss man sich, eine von der Erdrotation unabhängige Maßzahl zu suchen, an der sich die Zeit ausrichten lässt. Man einigte sich 1968 auf die Atomzeit (genauer: Internationale Atomzeit TAI). Über 50 Zeitinstitute weltweit sind daran mit ca. 250 Atomuhren beteiligt. Für Deutschland wird die nationale Atomzeit (TA) durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und Berlin ermittelt.
Eine Atomsekunde wird folgendermaßen definiert:
Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer, der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nukleotids 133Cs entsprechenden Strahlung entspricht.
Das klingt unheimlich kompliziert, und im Alltag kann damit niemand etwas anfangen, aber für wissenschaftliche und technische Zwecke ist eine solche Festlegung unerlässlich.
Ausgleich zwischen den Zeitsystemen - die Koordinierte Weltzeit UTC
Da die beiden bislang vorgestellten Zeitsysteme unterschiedliche Längen für eine Sekunde definieren, kommt es zu Zeitunterschieden. Die minimale Abweichung summiert sich innerhalb eines Jahres auf ca. 0,75 Sekunden. Durch das Einfügen einer Schaltsekunde können beide Systeme einander angeglichen werden.
Wann eine Schaltsekunde notwendig wird, ergibt sich nicht aus einer festen Schaltregel, sondern aus aktuellen Gegebenheiten. Dazu werden verschiedene Beobachtungen zusammengetragen und ausgewertet. Dies betrifft z.B. Beobachtungen der Erdrotation und der von der Erdrotation unabhängigen Satelliten, die uns das GPS-Signal liefern.
Schaltsekunde - wie und wann?
Die erste Schaltsekunde wurde am 30. Juni 1972 eingefügt, die nächste schon am 31. Dezember des gleichen Jahres. Da sich damals zwischen astronomischer Zeit und Atomzeit bereits ein Unterschied von 10 Sekunden angesammelt hatte, wurde auch in den darauf folgenden Jahren jeweils eine Schaltsekunde eingefügt.
Danach gab es in unregelmäßiger Abfolge weitere Einfügungen. Bemerkenswert ist hier der Zeitraum zwischen 1999 und 2004, in dem keine einzige Schaltsekunde nötig war. In diesen Jahren rotierte die Erde geringfügig schneller als zuvor. Nun ist sie wieder langsamer geworden. Die letzte Einfügung einer Schaltsekunde erfolgte am 30. Juni 2012.