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Titolo: Sincronizzazioni dei vari orologi atomici sparsi in vari istituti nel mondo

Presumo che i vari orologi debbano sincronizzarsi tra loro per emettere un unico valore del tempo, ma non mi è chiara
la procedura per questa sincronizzazione.
 
 
 
Mi spiego, finchè ci sono due laboratori relativamente vicini (per relativamente vicini mi riferisco al fatto che bisogna tenere conto della curvatura della Terra), la stazione A emette un segnale verso la stazione B . Sapendo la distanza tra A e B e la velocità del segnale, è facile dire : ok mi è arrivato il segnale alle ore 12ore-00minuti-00secondi, ma facendo i calcoli posso dire che il segnale è partito tot tempo prima che mi arrivasse.
 
Ma se invece i laboratori non sono vicini tanto che la curvatura della Terra impedisce il propagarsi diretto dell'onda elettromagnetica, come si fa ?
Il segnale allora viene inviato su nella ionosfera e da li come in uno specchio si riflette e ritorna giù verso la stazione ricevente ?
Mi sembra che in effetti le trasmissioni radio funzionino in questo modo (ma anche qui non sono sicuro -è tutto un mi sembra-).
 
 
 
 
Ma la ionosfera che io sappia non è larga o meglio non ha uno spessore di svariati km ? Questa sincronizzazione degli orologi atomici deve essere fatta con una incredibile precisione (a livello di nanosecondi), come avviene ? Lo strato di ionosfera dove si riflette il segnale è spesso vari km, mica è come uno specchio sottilissimo in cui si riflette il segnale. Su wikipedia ho letto che lo strato di ionosfera ha uno spessore che va dai 50km a 1000km sopra la superficie terrestre. E allora ? Dove si riflette il segnale degli orologi atomici ? Se il segnale parte da Londra e si riflette nella ionosfera ad una altezza di 60km per poi scendere giù fino a New York, si può calcolare la distanza...
Ma chi mi assicura che il segnale sia stato riflesso ad una altezza di 60km e non di 80km o 100km ?
af44

 la procedura per questa sincronizzazione.
 
Domanda con risposta che puo` andare dal semplice al complicato :-)
 
Un po' di storia della sincronizzazione degli orologi, su tre casi 
specifici e relative soluzioni, che, mutatis mutandis, sono usate anche 
oggi con le tecnologie moderne.
 
Primo caso: problema delle longitudini. Per conoscere la longitudine di 
una nave in mare, bisogna sapere l'ora indicata in un punto conosciuto, 
ad esempio il porto. Confrontando l'ora locale ottenuta con un sestante 
con l'ora segnata dall'orologio in porto si puo` calcolare la differenza 
delle longitudini, e quindi "fare il punto".
Per risolvere questo problema sono stati escogitati svariati metodi, per 
lo piu` astronomici, usando come "orologio" ad esempio i satelliti di 
Giove o le posizioni della Luna. Se so che un satellite di Giove va in 
occultazione a mezzanotte del porto, e vedo l'occultazione alle undici 
di sera del mio orologio locale, so che sono 15 gradi di longitudine 
piu` a ovest del porto. Metodo complicato, non sempre disponibile...
L'ideale era avere a bordo un orologio preciso e sincrono con l'orologio 
del porto. Il problema venne risolto nella prima meta` del 1700 da 
Harrison.
Quindi due soluzioni possibili: un orologio comune, visibile sia dal 
porto che dalla nave, oppure un orologio preciso che la nave si porta 
dietro.
 
Secondo caso: traforo ferroviario del Frejus. Per scavare il traforo del 
Frejus, seconda meta` del 1800, bisognava conoscere le coordinate degli 
ingressi del traforo, uno in territorio francese l'altro italiano. Le 
carte dell'epoca riportavano longitudine e latitudine, ma le longitudini 
erano riferite a due meridiani diversi, le carte non erano raccordate.
Per avere la differenza di longitudine serviva l'osservazione dello 
stesso evento sui due lati della montagna. Problema risolto facendo 
esplodere di notte una carica sulla cima della montagna. La differenza 
delle misure delle due ore locali dava la differenza di longitudile. 
Anche qui "evento" visto dai due punti contemporaneamente.
 
 
Terzo caso: sistema ferroviario americano (ma problema comune a tutte le 
ferrovie che si estendevano in direzione est ovest). Fino alla prima 
meta` del 1800 ogni citta` aveva la propria ora solare e fare gli orari 
dei treni era un discreto casino. Non solo: un viaggiatore partiva da 
una citta` con il suo orologio da taschino regolato sull'ora della 
citta`, viaggiava per 200 km verso est e si ritrovava con l'orologio 
circa 10 minuti indietro, rischiando di perdere la coincidenza, sempre 
che il treno successivo fosse regolato sulla stazione in cui era 
arrivato il viaggiatore e non sulla stazione principale della linea.
 
A parte questi inconvenienti, che venivano risolti con una tabella che 
riportava tutte le differenze di orario rispetto a un riferimento fisso 
(
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Comparative-time-table.jpg
), 
sono riportati anche degli incidenti dovuti a dissincronizzazione.
 
Con l'avvento del telegrafo e sistemi simili ci fu finalmente la 
sincronizzazione lungo la linea ferroviaria, e fra linee ferroviarie 
contigue. Con un sistema di trasmissione elettrica intorno a meta` 1800 
si riusciva a sincronizzare gli orologi entro un decimo di secondo.
 
Poi ci sono voluti altri trent'anni per arrivare ai fusi orari, tranne 
Detroit che ha dapprima accettato l'ora del suo fuso orario, poi per 5 
anni, nel 1900, e` tornato alla sua ora locale.
 
E adesso la risposta alla domanda iniziale. Per la disseminazione del 
tempo si usano essenzialmente i metodi storici, rinnovati con la 
tecnologia attuale.
 
La sincronizzazione di orologi via radio e` iniziata dalle parti degli 
anni 30, usando diverse frequenze, sia in VLF/LF sia in onde corte.
Hai ragione ad essere perplesso della sincronizzazione fatta via 
riflessione ionosferica, quindi segnali in onde corte: la ionosfera sale 
e scende e la sincronizzazione non potrebbe essere molto precisa. Le 
cose vanno meglio se si usano i segnali in banda LF, dalle parti di 70 
KHz. Qui si ha propagazione per onda di terra fino a distanze 
dell'ordine di 1000km-2000km, e la stabilita` del ritardo e` abbastanza 
buona, il segnale varia la fase al sorgere e tramontare del sole.
 
Pero` per gli orologi atomici servono precisioni molto maggiori e nella 
loro sincronizzazione entrano svariati effetti relativistici di cui 
bisogna tenere conto.
 
Agli inizi (anni 70) per brevi distanze si usavano cavi dedicati, mentre 
per distanze maggiori, dove si doveva vedere lo stesso evento da due 
punti distanti, si usavano i segnali televisivi, andando a identificare 
nelle sedi dei due orologi quando arrivava un determinato punto del 
frame televisivo. In qualche caso si e` anche usato il trasporto di un 
orologio atomico portatile fra due orologi da sincronizzare.
 
Successivamente si sono usati prevalentemente i satelliti artificiali. 
Inizialmente si usavano satelliti geostazionari, inviando un segnale al 
satellite che lo ritrasmetteva all'altro sito, e poi viceversa. Piu` 
recentemente si usano i satelliti di radionavigazione con cui si 
riescono a sincronizzare gli orologi entro nanosecondi. Altra 
possibilita` e` di usare fibre ottiche.
 
Le trasmissioni radio in onde lunghe sono rimaste solo per usi 
commerciali (almeno credo). In Europa c'e` un trasmettitore vicino a 
Francoforte (DCF77) che trasmette i segnali di frequenza e tempo a 
77.5kHz, ricevibili in gran parte dell'Europa e usati ad esempio per 
molti orologi, anche da polso. Trasmissioni in onde corte ce ne sono 
ancora svariate, non mi e` chiaro a che cosa servono.
 
Se interessano altri dettagli, posso sembre chiedere ad amici orologiai!
 
-- 
Franco
 
Wovon man nicht sprechen kann, darüber muß man schweigen.
(L. Wittgenstein)

af44...@gmail.com
 ha scritto
 > Presumo che i vari orologi debbano sincronizzarsi tra loro per
 > emettere un unico valore del tempo, ma non mi è chiara la procedura
 > per questa sincronizzazione.
L'argomento è interessante, ma è anche maledettamente complicato.
Per essere precsisi, si à andato vieppiù complicando negli ultimi
decenni, man mano che crescevano le esigenze di precisione nella
sincronizzazione.
Non ho remore a spiegarti che - proprio per questo - ne ho una
conoscenza alquanto superficiale. Ma del resto credo che tu non ti
aspetti una trattazione approfondita :-)
 
Per cominciare ti consiglio su wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/International_Atomic_Time
 
Comincia a leggere da "Operation", solo il primo capoverso.
 
 > Mi spiego, finché ci sono due laboratori relativamente vicini
Questo credo che in pratica non succeda mai.
 
 > Il segnale allora viene inviato su nella ionosfera e da li come in
 > uno specchio si riflette e ritorna giù verso la stazione ricevente?
 > Mi sembra che in effetti le trasmissioni radio funzionino in questo
 > modo (ma anche qui non sono sicuro -è tutto un mi sembra-).
La ionosfera è solo un disturbo.
Anche per le trasmissioni radio serve solo per frequenze non troppo
alte (già la vecchia modulazione di frequenza, attorno ai 100 MHz,
non viene riflessa.
Poi la ionosfera è tutt'altro che stabile, anche come posizione.
E non dimenticare che in 1 ns un'onda e.m. percorre solo 30 cm...
 
I segnali GPS sono su 1.2-1.5 GHz e partono da satelliti distanti
almeno 20000 km dal ricevitore.
Della ionosfera si deve tener conto perché altera la velocità delle
onde. Non dico di più ma questo effetto si può correggere.
 
Ogni satellite ha a bordo un orologio atomico e naturalmente occorre
conoscere istante per istante la distanza tra satellite e ricevitore.
Questo si fa per il normale funzionamento del GPS.
Un ricevitore GPS di qualità (non gli smartphone!) può darti un errore
di posizione sotto il cm, che in tempo significa una decina di
picosecondi.
Basta quindi confrontare l'orologio atomico locale col segnale GPS: se
due orologi in posti diversi ricevono il segnale dallo stesso
satellite, ecco che abbiamo un modo per confrontarli.
 
Questo non vuol dire che vengano "rimessi" sul dato del GPS,
altrimenti vorrebbe dire che il tempo è dato dalla rete GPS.
Invece i vari confronti che ho detto vengono inviati al BIPM, dove
vengono messi insieme per ricavarne un Tempo Atomico Internazionale,
più stabile dei singoli orologi.
 
Non bisogna dimenticare poi che i singoli orologi risentono del
cosidddetto "redshift gravitazionale", che in modo molto improprio ma
più semplice da dire, consiste nel fatto che un orologio che sta più in
basso in un campo gravitazionale va più piano.
L'effetto nel campo della Terra è piccolo, ma non può essere trascurato.
In termini relativi è 10^(-16) per metro, il che vuol dire che un
orologio che si trovi a 1000 metri sul livello del mare guadagna circa
9 ns al giorno.
Il TAI fornito dal BIPM è quindi riferito "al geoide" (grosso modo,
come dire "al livello del mare".
 
PS. Mentre stavo per mandare questo, ho visto il post di Franco.
Per fortuna non c'è quasi sovrapposizione, quindi non ho cambiato
niente :-)
-- 
Elio Fabri

 .....
 
Questa proprio non la sapevo, ho sempre pensato che il difficile problema
(data la notevole precisione richiesta) fosse stato risolto con accurate
triangolazioni topografiche effettuate nella zona del Frejus.
Ho provato a fare una banale stima degli errori. 
Supponendo che il metodo dell'esplosione notturna possa garantire un errore 
massimo di circa 0.5 s nella sincronizzazione delle due ore locali, ne 
risulterebbe un'incertezza di circa 10 m nelle longitudini.
Non so quale precisione fosse invece garantita dalle triangolazioni, ma 
qualche timore che i due segmenti scavati da Bardonecchia e da Modane si 
sarebbero bene incontrati palesemente sussisteva...
 
-- 
    Elio Proietti
    Valgioie (TO)