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Die Zeiteinheit «Sekunde»
Die Tageszeit ergibt sich primär aus der Rotation der Erde um ihre eigene Achse. Sie dreht sich innerhalb eines Tages um ca. 360o (s. unten) was 15o pro Stunde entspricht (1 Stunde = 60 Minuten = 3600 Sekunden). Seit dem Mittelalter bis 1967 war die Dauer der Zeiteinheiten (Stunde, Minute, Sekunde) an die Erdrotation gekoppelt. Im letzten Jahrhundert stellte man aber zunehmend fest, dass die Erdrotation durch äussere Einflüsse (Gezeiten, Präzession der Erdachse etc.) gestört wird, sodass die ursprüngliche Festlegung der Zeiteinheiten den heutigen Konstanz-Anforderungen nicht mehr genügte. 1967 wurde deshalb die physikalische Einheit «Sekunde» neu definiert [«Die 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.»], sodass die Zeiteinheiten nicht mehr durch die Erdrotation bestimmt sind.
Sonnenzeit, Zeitzonen und Weltzeit
«Mittag, 12 Uhr Sonnenzeit» bezeichnet den Zeitpunkt des Sonnenhöchststandes, also den Moment, in dem ein senkrechter Stab im Tagesverlauf den kürzesten Schatten wirft. Diese Eigenschaft ist ortsabhängig, da der Zeitpunkt des Sonnenhöchststandes davon abhängt, auf welchem Längenkreis (Meridian) man sich befindet (zwischen Genf und St. Gallen resultiert eine Sonnenzeitdifferenz von 13 Minuten). Da derartige Lokalzeiten für unsere mobile Gesellschaft nicht praktikabel sind, hat man an der Meridian Konferenz 1884 die Welt in 24 Zeitzonen eingeteilt, die sich jeweils um ganze Stunden unterscheiden. Ausgangspunkt ist der 0o-Meridian (Der durch die beiden Pole und die Sternwarte von Greenwich festgelegt wird). Die koordinierte Weltzeit UTC entspricht im Mittel der Sonnenzeit auf dem 0o-Meridian und wird deshalb auch als Greenwich Mean Time (GMT) bezeichnet. Die entsprechende Zeitzone (WEZ: West-Europäische-Zeitzone) wird folglich durch die Längengrade -7.5o und +7.5o vorgegeben. Die Längengrade +7.5o und +22.5o begrenzt den Bereich der Mittel-Europäischen-Zeitzone (MEZ). Die Schweiz und viele europäische Staaten haben entschieden, dass in ihren Grenzen einheitlich die MEZ-Zeit gelten solle. Unsere Sonnenuhr befindet sich auf dem Längenkreis 7.4393o. Zum Zentrums-Meridian MEZ (Längenkreis 15o) ergibt sich eine Differenz von 7.5607o. Deshalb ist der Sonnenhöchststand bei unserer Uhr 30.24 Minuten nach dem Sonnenhöchststand auf dem 15o-Längengrad (Zentrum MEZ)
Die Zeitgleichung
Johannes Kepler (1571-1630) fand als erster 1618 die korrekte Beschreibung der Planetenbahnen um die Sonne. Für die Erdbahn ausgedrückt lauten die ersten beiden (von drei) Keplerschen Gesetze:
1. Die Erde umkreist die Sonne auf einer Ellipsenbahn, wobei die Sonne in einem der beiden Brennpunkte steht.
2. In gleichen Zeiten überstreicht der Fahrstrahl zwischen Sonne und Erde dieselbe Fläche.
Aus dem zweiten Keplerschen Gesetz folgt, dass die Bahngeschwindigkeit der Erde im Perihel (kleinste Distanz Sonne-Erde = 147.09 Mio. km) am höchsten und im Aphel (grösste Distanz Sonne-Erde = 152.10 Mio. km) am kleinsten ist. Diese Variation der Bahngeschwindigkeit bringt es mit sich, dass sich die Erde im Perihel etwas mehr als im Aphel um die eigene Achse drehen musss, um von einem Sonnenhöchststand zum nächsten zu gelangen. Der Sonnentag ist im Perihel (3. Januar) einige Sekunden länger als im Aphel (5. Juli). Die daraus resultierende Differenz zwischen Sonnenzeit und Weltzeit wird durch die Zeitgleichung beschrieben.
Die Zeitgleichung kann man ebenso, wie andere Korrekturen in der Zeit-Skala berücksichtigen, damit die Sonnenuhr die Weltzeit anzeigt.