De aarde draait weer (iets) sneller rond: 29 juni was de kortste dag sinds 1960

De laatste jaren hebben kortere dagen een aantal records gebroken en vooral 2020 was een recordjaar. 

Een normale dag duurt 86.400 seconden, 2020 kende 28 dagen die de kortste waren sinds wetenschappers in 1960 nauwkeurige metingen begonnen te verrichten. Ze waren allemaal korter dan 86.399.999 seconden en de kortste, 19 juli, was 1,47 milliseconden - duizendsten van een seconde - korter. 

En nu is er dus 29 juni van dit jaar, die 'slechts' 86.399, 99841 seconden geduurd heeft en dus 1,59 milliseconden korter was. Die werd nog gevolgd door 26 juli die 1,5 milliseconden korter was. 

En dat blijkt te passen in een trend:  in 1972 was de gemiddelde lengte van een dag zo'n 86.400,003 seconden, in 2016 was dat zo'n 86.400,001 seconden, wat wijst op een toename van de rotatiesnelheid van de aarde in die periode. Iets wat ook zal blijken uit de verdeling van de schrikkelseconden, maar daarover dadelijk meer.     

Op heel lange termijn is de tendens duidelijk: de aarde draait steeds trager rond haar as. Vermoed wordt dat kort na het ontstaan van de maan, zo'n 4,5 miljard jaar geleden, de aarde maar 6 uur nodig had om één keer volledig rond haar as te draaien. Een miljard jaar later was dat bijna 9 uur. 

1,5 miljard geleden vond een rotatie plaats in minder dan 19 uur, 600 miljoen jaar geleden was dat bijna 22 uur en 350 miljoen jaar geleden, nog ruim 100 miljoen jaar voor de opkomst van de dinosaurussen, duurde een volledige rotatie al iets minder dan 23 uur.   

Die vertraging wordt veroorzaakt door een touwtrekkerij tussen de zwaartekracht van de aarde, de maan en de zon, waarbij de maan de hoofdrol speelt. De zwaartekracht van de maan veroorzaakt een bult op de aarde, voornamelijk in de oceanen. Dat noemen wij vloed en de bult heet een vloedberg. 

De aarde draait onder die vloedberg door en sleept die door wrijving mee zodat de berg altijd wat voorloopt op de positie van de maan. Dat heeft twee effecten: het remt de rotatie van de aarde af en het versnelt de beweging van de maan. (Daarom heet het ook de seculiere versnelling van de maan of de getijdenversnelling, wat vanuit het standpunt van de vertragende aarde enigszins verwarrend is.) 

Ook de zon heeft overigens een soortgelijk effect, maar omdat de zon veel verder van de aarde staat dan de maan, is dat effect kleiner, ondanks het feit dat de massa van de zon veel groter is dan die van de maan. Het effect is bijvoorbeeld duidelijk te zien bij springtij, als de zon, de maan en de aarde in een rechte lijn staan en de getijdekrachten van de maan en de zon elkaar maximaal versterken. 

Op lange termijn is de tendens dus duidelijk, de rotatiesnelheid van de aarde neemt af, maar op korte termijn is de situatie veel minder duidelijk.  

Er spelen immers nog een aantal factoren mee die een - weliswaar kleine maar toch duidelijk meetbare - invloed hebben op de rotatiesnelheid en dus ook op de lengte van de dagen. 

Dat zijn onder meer bewegingen in de gesmolten kern van de aarde, veranderingen in de aardkorst en de oceanen, veranderingen in waar grondwater en ijs opgeslagen worden en veranderingen in de atmosfeer. 

Dat heeft dan weer te maken met het behoud van impulsmoment of draaimoment. Het impulsmoment is een maat voor de 'hoeveelheid draaibeweging' van een ronddraaiend voorwerp en het wordt berekend door het product te maken van de massa van het voorwerp, de snelheid waarmee het draait en de afstand - loodrecht op de snelheid - tot aan de draaias. 

De wet op het behoud van impulsmoment stelt dat het impulsmoment hetzelfde blijft als er geen externe kracht op uitgeoefend wordt. Dat kan mooi geïllustreerd worden door een schaatster die om haar as draait op het ijs: als ze haar armen uitstrekt, zal ze langzamer gaan ronddraaien. Haar massa blijft immers gelijk maar de afstand tot de draaias wordt groter, zodat de snelheid lager moet worden om het spinmoment constant te houden. Als ze haar armen weer dichter naar haar lichaam brengt, zal de snelheid ook weer toenemen. 

Voor de aarde betekent dit dat alles wat massa weg van het centrum van de aarde verplaatst, de rotatiesnelheid zal vertragen en de dagen langer zal maken, terwijl alles wat massa dichter naar het centrum brengt, de snelheid zal verhogen. 

Dat wordt geïllustreerd door twee tegengestelde voorbeelden. Toen na de laatste ijstijd, zo'n 13.000 jaar geleden, de ijskappen in het noordelijk halfrond gesmolten waren, kwam het land dat daaronder lag en dat naar beneden was gedrukt door het enorme gewicht, opnieuw naar boven. Het verwijderde zich dus van het centrum van de aarde en de rotatiesnelheid is daardoor - een heel klein beetje - vertraagd. 

Omgekeerd is de aarde na de zeebeving van 26 december 2004 in de Indische Oceaan die de verwoestende tsunami veroorzaakt heeft, iets sneller gaan draaien, zodat de dag 3 microseconden - miljoensten van een seconden - korter werd. Dat werd veroorzaakt door het feit dat de zware tektonische plaat van de Indische Oceaan een stuk onder de Indonesische plaat is geschoven en dus dichter bij het centrum van de aarde is gekomen. 

De wet op het behoud van het impulsmoment betekent ook dat het impulsmoment voor de gehele aarde, dus het vaste gedeelte, de oceanen en de atmosfeer, gelijk moet blijven. Als er veranderingen in de zeestromingen of de atmosfeer optreden, zal dat de rotatiesnelheid beïnvloeden. Zo hebben wetenschappers van de NASA berekend dat in jaren met het weerfenomeen El Niño, waarbij er krachtiger westenwinden kunnen ontstaan, de rotatiesnelheid van de aarde iets kan verminderen en de dagen dus iets langer kunnen worden.   

Uit al het voorgaande blijkt dat de ene dag de andere niet is en dat niet alle dagen even lang duren. Een dag wordt verondersteld 24 uur te duren, 1440 minuten of 86.400 seconden, maar dat is volgens wetenschappers al sinds 1820 niet langer het geval. De laatste 40 jaar duurt een gemiddelde dag iets langer, zo'n 86.400, 0015 tot 86.400,002 seconden namelijk. 

Twee duizenden van een seconde per dag, dat lijkt niet veel, maar voor wetenschappers is het wel een probleem. Temeer omdat wij twee tijdssystemen hebben, die door dat verschil uit elkaar gaan lopen. 

Het eerste systeem is de 'waargenomen zonnetijd', de astronomische tijd, Universal Time 1 of UT1 en het is gebaseerd op de tijd die de aarde nodig heeft om volledig rond haar as te draaien. Wetenschappers kunnen die tijd zeer precies bepalen, tot op drie miljoenste van een seconde, met een techniek die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) heet. 

Daarbij worden astronomische objecten, voornamelijk quasars, geobserveerd door verschillende telescopen verspreid over de aarde. De quasars dienen als referentiepunten die in essentie onbeweeglijk zijn omdat ze miljarden lichtjaren van de aarde verwijderd zijn. Omdat de observatieposten op verschillende plaatsen op aarde liggen, zal het signaal van de quasars er langer over doen om bepaalde posten te bereiken dan andere. Die kleine verschillen in de aankomsttijden kunnen wetenschappers gebruiken om gedetailleerde, precieze informatie te verkrijgen over onder meer de rotatiesnelheid van de aarde. 

Het tweede systeem is de atomaire tijd, UTC (Coordinated Universal Time of gecoördineerde wereldtijd) , die gebaseerd is op TAI (Temps Atomaire International). Daarin is een seconde exact de tijd die de straling van een bepaald cesiumatoom nodig heeft om 9.192.631.770 keer te trillen en de tijd wordt bepaald door een wereldwijd netwerk van zo'n 400 atoomklokken. 

De huidige cesiumatoomklokken zijn zo nauwkeurig dat ze op 1,4 miljoen jaar een seconde achter zouden lopen, nieuwe optische atoomklokken die nog dit decennium zullen gebruikt worden voor de tijdsbepaling, lopen slechts een seconde achter op 15 miljard jaar, langer dan het universum al bestaat. 

Bij de atomaire tijd zijn alle dagen uiteraard even lang terwijl dat bij de astronomische tijd niet het geval. Bovendien zijn de astronomische dagen zoals gezegd nu iets langer en daardoor lopen de twee systemen uit elkaar. 

Om te vermijden dat ze al te veel uit elkaar gaan lopen, is de International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) sinds 1972 in UTC af en toe een schrikkelseconde gaan invoeren. Dat gebeurt meestal van zodra het verschil tussen beide systemen zes tienden van een seconde bedraagt, om te vermijden dat het meer dan negen tienden zou worden. Meestal op 31 december, soms ook op 30 juni, wordt de seconde voor middernacht, 23:59:59, niet gevolgd door 00:00:00 maar wel door 23:59:60, een schrikkelseconde dus. 

Sinds het systeem van de schrikkelseconden in 1972 werd ingevoerd - daarvoor paste men UTC op een andere manier aan - zijn er in totaal 27 geweest.

Maar die zijn niet mooi verdeeld, de laatste decennia zijn er duidelijk minder. In 1972 waren er twee, één in juni en één in december, daarna volgde er elk jaar één tot 1983, met uitzondering van het jaar 1980. Vervolgens kwam er om de twee jaar een schrikkelseconde, in 1985, 1987 en 1989. Ook 1990 kende er een, daarna volgde vanaf 1992 weer een reeksje jaarlijkse schrikkelseconden tot 1998, met uitzondering van 1996. 

In 1998 viel het dan een tijd stil, tot verrassing van de wetenschappers. De volgende schrikkelseconde kwam er pas eind 2005 en vervolgens waren er nog in 2008, 2012, 2015 en 2016. 

Sindsdien opnieuw niets meer en nu zien we dus 2020 met een recordaantal dagen die korter waren dan de 86.400 seconden van de atomaire tijd en dit jaar met twee dagen die nog korter waren dan die in 2020.

Hoe dat komt, is helemaal nog niet duidelijk, zoals gezegd kunnen er een heleboel factoren meespelen, maar het roept het schrikbeeld op van een negatieve schrikkelseconde. Daarbij wordt in plaats van een extra seconde toe te voegen, de seconde 23:59:59 overgeslagen.

En het leidt geen twijfel dat zoiets de discussie over de afschaffing van de schrikkelseconde zal aanwakkeren. De schrikkelseconde staat al langer ter discussie omdat computersystemen er problemen door kunnen krijgen. Computers met een inwendige klok kunnen in de war geraken als hun systeem de seconde 23:59:60 moet verwerken en dat geldt ook voor systemen die in de plaats daarvan twee keer 23:59:59 na elkaar te zien krijgen. Het lijdt geen twijfel dat ook een negatieve schrikkelseconde de systemen in de war kan brengen maar aangezien er nog nooit een geweest is, vergroot dat de onzekerheid nog.

Bij vorige invoeringen van schrikkelseconden hadden onder meer Foursquare, Reddit, LinkedIn, Yelp en Cloudflare problemen die soms leidden tot het urenlang uitvallen van hun websites en ook het reservatiesysteem van de Australische luchtvaartmaatschappij Qantas lag uren uit. 

Een ander probleem is de synchronisatie tussen computers, die soms dagen in beslag kan nemen na de invoering van een schrikkelseconde. 

Sinds de laatste schrikkelseconde in 2016 werd toegevoegd, zijn er alleen maar nog meer systemen met een inwendige klok bijgekomen en is het verzet toegenomen. Meta van Facebook publiceerde vorige maand nog een tekst waarin de ingenieurs van het bedrijf stellen dat ze de inspanningen van de industrie steunen om de schrikkelsecondes op het huidige niveau van 27 te houden, wat voldoende moet zijn voor het volgende millennium.     

Een beslissing is niet te verwachten voor volgend jaar. In 2015 besloot de International Telecommunication Union (ITU) - een orgaan van de Verenigde Naties dat moet beslissen over het al dan niet afschaffen van nog meer schrikkelseconden - dat er meer onderzoek nodig was en dat de kwestie pas in 2023 op een vergadering zou besproken worden. 

Sommige landen binnen de ITU, het Verenigd Koninkrijk bijvoorbeeld, willen het systeem behouden, landen als Frankrijk en de Verenigde Staten zijn het liever kwijt dan rijk.

Als er geen schrikkelseconden meer zouden worden ingevoerd, zou dat immers niet echt veel verschil maken. Zelfs als het verschil tussen de astronomische en de atomaire tijd elk jaar met een seconde zou toenemen, zou het verschil binnen honderd jaar slechts minder dan twee minuten bedragen, en binnen duizend jaar minder dan 17 minuten. 

Niet alle wetenschappers gaan daar echter zo licht over en vinden dat de technologie ten dienste moet staan van de mens en niet omgekeerd. En ze kijken naar de langere termijn, waarbij het afschaffen van de schrikkelseconde zou betekenen dat binnen tienduizenden jaren mensen om twee uur 's ochtends zouden ontbijten. 

Wordt (mogelijk) volgend jaar vervolgd, op de volgende vierjaarlijkse vergadering van de ITU.