闰秒

闰秒是偶尔运用于协调世界时（UTC）的调整，经由增加或减少一秒，以消弥精确的时间（使用原子钟测量）和不精确的观测太阳时（称为UT1），之间的差异。这会由于地球自转的不规则和长期项的地球自转减慢而有所不同。UTC标准时间广泛用于国际计时，并在大多数国家用作民用时的参考，它使用精确的原子时，因此，除非根据需要将其重置为UT1，否则将超前运行在观测到的太阳时。闰秒的存在就是为了提供这样的调整。

因为地球的旋转速度会随着气候和地质事件的变化而变化，因此UTC的闰秒间隔不规则且不可预知。每个UTC闰秒的插入，通常由国际地球自转服务（IERS）提前约六个月决定，以确保UTC和UT1读数之间的差值永远不会超过0.9秒。

这种做法已被证明具有破坏性，特别是在二十一世纪，尤其是在依赖精确时间戳或时间关键程序控制的服务中。相关国际标准机构一直在讨论是否继续这种做法。2022年11月18日，负责协调世界时的国际计量局表示，科学家和政府代表在法国举行的一次会议上投票决定到2035年取消闰秒。根据决议，闰秒将暂时继续正常添加，但到2035年，世界时和国际原子时之间的差异将被允许增长到大于一秒的值。各方代表将举行谈判以在2035年之前确定这个值及其处理方式。

## 历史

<image>

大约在公元前140年，亚历山大的天文学家托勒密使用六十进制将平太阳日和真太阳日细分到60进制的小数点后6位数。在这之后，他使用平分点时和季节时点的简单分数，但没有一个类似现代的秒。穆斯林学者，包括公元1000年的比鲁尼，将平均太阳日平分为24小时，再以可以让二、三、四和五等分的60进制为基础，创造了分和现代的秒作为时间组织的单位，即平均太阳日中的1的1的1 = 1。根据这一定义，时间单位的秒在1874年被提一作为CGS单位制中的时间基础单位。不久之后西蒙·纽康和其他人发现地球自转周期不规则地变化，因此在1952年，国际天文学联合会将秒定义为恒星年的分数。1955年，考虑到回归年比恒星年更为基本，国际天文学联合会将秒重新定义为1900.0平回归年的分数1。在1956年，国际度量衡委员会对秒的定义采用了较为精确的1数值，并且在1960年由国际度量衡大会通过，成为国际单位制的一部分。

最终，这一定义也被发现不足以进行精确的时间量测，因此在1967年，SI的秒再次被重新定义为一个铯-133原子在基态的两个超精细能阶之间的跃迁中发射辐射的9,192,631,770个周期。该值等同于1010，在一部分的天文（星历）秒中使用着。它也接近在1750年至1892年平均太阳日的1。

然而，取决于平均时间，在过去的几个世纪里，平均太阳日的长度每世纪新增了约1.4-1.7毫秒。到1961年，平均太阳日已经比秒长一到两毫秒。因此，在改变日期的时间标准SI秒之后，如国际原子时（TAI），将越来越超前于与平均太阳日相关联的时间标准，如世界时（UT）。

1960年，在原子钟的基础上制定协调世界时（UTC）标准时，人们认为有必要与UT保持一致，在此之前，时间广播的服务一直是参考着UT。从1960年到1971年，国际时间局减慢了UTC原子钟的速率，以保持与UT2的同步，这种做法被称为“弹性秒”。UTC的速率在每年年初确定，比原子时的速率慢：在1960-1962年每1010次脉冲减少150次，1962-63年每1010次脉冲减少130次，1964年至1965年期间，每1010次脉冲减少150次，并且在1966-1971年每1010次脉冲减少300次。除了速率的变化，偶尔需要0. 1秒的跨阶（1963年之前为0.05秒）。UTC的这种主要频移速率由MSF (时间台)、WWV和CHU (时间台)以及其它的时间台广播。在1966年，CCIR批准了“阶梯原子时”（SAT，stepped atomic time），由于没有速率的调整，使它以0.2秒为阶梯更频繁地进行调整，让它与UT2的差异保持在0.1秒内 SAT由WWVB和其它时间站播出。

在1972年，引入了闰秒系统，以便将UTC秒设定为与标准SI秒完全相等，同时仍保持UTC时间在UTC日期的每一天中与UT1的变化同步。在那时，UTC时钟已经落后于TAI 10秒，TAI在1958年与UT1同步，但此后一直在计算真正的SI秒数。1972年后，两个时钟都以SI秒为单位滴答作响，因此它们在任何时间显示之间的差异为10秒加上截至该时间应用于UTC的闰秒总数；截至2017年1月，UTC已经插入了27次闰秒，所以差异为10 + 27 = 37秒。

## 插入的闰秒

年｜6月30日｜12月31日

1972年｜+1｜+1

1973年｜0｜+1

1974年｜0｜+1

1975年｜0｜+1

1976年｜0｜+1

1977年｜0｜+1

1978年｜0｜+1

1979年｜0｜+1

1980年｜0｜0

1981年｜+1｜0

1982年｜+1｜0

1983年｜+1｜0

1984年｜0｜0

1985年｜+1｜0

1986年｜0｜0

1987年｜0｜+1

1988年｜0｜0

1989年｜0｜+1

1990年｜0｜+1

1991年｜0｜0

1992年｜+1｜0

1993年｜+1｜0

1994年｜+1｜0

1995年｜0｜+1

1996年｜0｜0

1997年｜+1｜0

1998年｜0｜+1

1999年｜0｜0

2000年｜0｜0

2001年｜0｜0

2002年｜0｜0

2003年｜0｜0

2004年｜0｜0

2005年｜0｜+1

2006年｜0｜0

2007年｜0｜0

2008年｜0｜+1

2009年｜0｜0

2010年｜0｜0

2011年｜0｜0

2012年｜+1｜0

2013年｜0｜0

2014年｜0｜0

2015年｜+1｜0

2016年｜0｜+1

2017年｜0｜0

2018年｜0｜0

2019年｜0｜0

2020年｜0｜0

2021年｜0｜0

2022年｜0｜0

2023年｜0｜0

2024年｜0｜0

2025年｜0｜0

总计｜11｜16

27 目前TAI与UTC秒差37

闰秒的调整最初委托给国际时间局，但于1988年1月1日转交给国际地球自转服务。IERS通常在UTC和UT1之间的差额接近0.6秒时插入闰秒，以防止UTC和UT1之间的差额超过0.9秒。

UTC的标准允许在任何UTC月份结束时插入闰秒，但第一优先选择6月和12月，第二优先选择3月和9月。截至2017年1月，所有的闰秒调整是在6月30日或12月31日结束时插入的。无论是否要做闰秒的调整，IERS每6个月都会发布一次公告： "Bulletin C"。这份公告通常在每个可能的闰秒日期之前半年发布：通常在1月初（6月30日）和7月初（12月31日）。一些授时的广播会发出闰秒即将来临的语音通知。

从1972年到2020年，平均每21个月就插入一次闰秒。然而，间隔是非常不规则的，而且明显在增加：在1999年1月1日至2004年12月31日的六年中没有闰秒，但在1972-1979年的八年中有九个闰秒。

与在当地时间2月28日23:59:59之后开始的闰日不同，UTC的闰秒在全球范围内同时出现；例如，2005年12月31日23:59:60 UTC的闰秒是美国东部标准时间的2005年12月31日18:59:60（下午6:59:60）和中国时区的2006年1月1日07:59:60（上午）。

### 过程

当需要插入闰秒时，将在所选UTC日期的23:59:59秒和下一日期的00:00:00秒之间插入一个正闰秒。UTC的定义规定，优先选择12月和6月的最后一天，其次可选择3月或9月的最后一天，最后才能选择任何其它月份的最后一天。截至目前，所有闰秒都安排在6月30日或12月31日。额外的秒在UTC时钟上显示为23:59:60。在显示与UTC相关的当地时间的时钟上，闰秒可能会插入到其它某个小时（或半小时或四分之一小时）的末尾，具体取决于当地时区。负闰秒将删掉所选月份最后一天的最后一秒23:59:59，因此该日期的23:59:58之后将紧跟着下一天的00:00:00。自引入闰秒以来，平均太阳日仅在很短的时间内超过原子时，并没有触发过负闰秒。

## 地球自转减慢

<image>

因为地球的自转速度的变化不规则，导致闰秒的间隔不规则。事实上，地球自转在长期上是不可预测的，这也解释了为什么闰秒通常只提前六个月宣布。

F.R.斯蒂芬森和莫里森(L.V.Morrison)，根据公元前700年至公元1623年期间的日食的记录，1623年至1967年期间望远镜观测的掩星，以及此后的原子钟，开发了太阳日长度变化的数学模型。这个模型显示平太阳日以每个世纪1.70 ms (± 0.05 ms)稳定的增长，再加上大约1,500年周期半振幅4毫秒的变化，在过去的几个世纪里，平太阳日的延长率约为每世纪1.4 ms，是周期性分量和总速率之和。

地球自转速度减慢的主要原因是潮汐摩擦，仅此一项就将使一天每世纪延长2.3ms。其他促成因素包括地球地壳相对于其核心的运动，地函对流的变化，以及导致巨大质量再分配的任何其他事件或过程。这些过程改变了地球的惯性矩，由于角动量守恒而影响了自转速率。其中一些重分配会提高地球的自转速度，缩短太阳日，并对抗潮汐摩擦。例如，冰河反弹将太阳日缩短了0.6ms/世纪，2004年发生在印度洋的地震和海啸被认为缩短了2.68微秒。

然而，将闰秒视为地球自转速度减慢的指标是错误的：它们是测量地球自转的原子时间和平太阳时之间累积的差异指标。本节顶部的曲线图显示，1972年的平均日长约为86400.003秒，2016年的平均日长约为86400.001秒，表明在这段时间内地球自转率整体上有所增加。在这段时间内插入正闰秒，是因为年平均日长仍然大于86400 SI秒以上，而不是因为地球自转速度的任何减慢。

根据2021年的报导，在2020年地球自转速度加快，经历了自1960年以来最短的28天，每一天的持续时间都不到86399.999秒。这导致全世界各地的工程师们讨论负闰秒和其它可能的计时措施，其中也包括废除闰秒。

## 闰秒的未来

TAI和UT1是精确定义的时间尺度，前者由原子钟（因此独立于地球自转）定义，后者由天文观测（量测实际行星自转，从而量测格林威治子午线的太阳时间）定义。UTC（通常是民用时的基础）是一种折衷方案，以原子秒为组织，但周期性地重置一个闰秒以匹配UT1。

UTC 闰秒的不规则性和不可预测性在几个领域存在问题，尤其是计算。随着自动化系统和高速交易对精确度的要求越来越高，这就引发了许多问题，因为闰秒比工业时钟所需要的精确度高出一百万倍。因此，有关国际标准机构正在审查插入闰秒的长期做法。

### 废除闰秒的国际提案

2005年7月5日，IERS地球定位中心负责人向IERS公报的C和D订户发送了一份通知，征求美国在国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）研究小组7的WP7-A之前提出在2008年之前从UTC广播标准中取消闰秒的建议意见（UTC的定义由ITU-R负责）。原先预计将于2005年11月审议，但此后讨论被延后。根据该提案，闰秒在科技上将被闰时取代，以满足几个ITU-R成员国的法律要求，即民用时间在天文学上与太阳有所关联。

有人对这项提议提出了一些反对意见。《天文年鉴解释性附录》的编辑肯尼斯·塞德曼（P.Kenneth Seidelmann）写了一封信，对该提议缺乏一致的公共资讯和充分的理由表示遗憾。加州大学圣克鲁斯分校的史蒂夫·艾伦（Steve Allen）在一篇科学新闻的文章中引用了他声称对天文学家有重大影响的东西。他有一个广泛的线上网站专门讨论闰秒的问题和历史，包括一组关于该提案的参考资料和反对该提案的论据。

在2014年国际无线电科学联盟的大会上，美国海军天文台的时间服务首席科学家德米特里奥斯·马萨基斯（Demetrios Matsakis）提出了支持重新定义的理由，并反驳了反对该定义的论点。他强调，软件程式师实际上无法考虑闰秒会使时间倒流的事实，特别是当他们中的大多数人甚至不知道闰秒的存在时。与会者提出了闰秒对航行造成危害的可能性，以及观察到的对商业的影响。

美国根据国家电信和资讯管理局的建议，就此事阐述了立场；同时联邦通信委员会也征求公众的意见。这一立场有利于重新定义

2011年，北京应用与探索全球资讯中心的韩春浩（Chunhao Han）表示，中国尚未决定2012年1月的投票态度，但一些中国学者认为，由于中国的传统，保持民用时间和天文时间之间的联系很重要。2012年的投票最终被延后。在ITU/BIPM主办的关于闰秒的研讨会上，韩春浩表达了他个人赞成废除闰秒的观点，在2014年的国际无线电科学家联盟大会上，韩春浩和其他中国计时科学家再次表达了对重新定义的类似支持。

2015年2月10日，在亚太电信会议的一次特别会议上，韩春浩表示，中国现在支持取消未来的闰秒，出席会议的所有其他国家代表（来自澳大利亚、日本和韩国）也是如此。在这次会议上，布鲁斯·沃灵顿（Bruce Warrington，澳大利亚NMI）和岩马筑三（Tsukasa Iwama，日本NICT）表示特别关注金融市场，因为闰秒的调整是发生在他们所在地区的工作日中间。在2015年3月/4月的CPM15-2会议之后，草案给出了WRC-15可能用来满足WRC-12第653号决议案的四种方法。

反对这一提议的理由包括，这一重大变化的代价不得而知，以及世界时将不再与平均太阳时相对应的事实。还有人回答说，已经有两个不跟随闰秒的时间制度可以使用，国际原子时（TAI）和全球定位系统（GPS）时间。例如，电脑可以使用这些时间，并根据需要转换为UTC或本地民用时间进行输出。廉价的GPS定时接收机随时可用，卫星广播包括将GPS时间转换为UTC所需要的资讯。将GPS时间转换为TAI也很容易，因为TAI总是比GPS时间提前19秒。基于GPS时间系统的范例包括CDMA数位蜂窝系统IS-95和CDMA2000。通常，电脑系统使用UTC，并使用网络时间协定（Network Time Protocol，NTP）同步其时钟。不能容忍闰秒造成时间中断的系统可以基于TAI并使用精确时间协定。然而，国际度量衡局指出，这种时间尺度的扩增会导致混乱。

在2007年9月于德克萨斯州沃斯堡举行的民用全球定位系统服务界面委员会第47次会议上，宣布将对停止闰秒进行邮寄投票。投票计划是：

- 2008年4月：国际电信联合会的7A工作组将向ITU第7研究小组提交关于停止闰秒项目的建议。
- 在2008年：第7组将在成员国之间通过电子邮件进行投票。
- 2011年10月：国际电信联合会无线电通讯组（ITU-R）发布了其状态档案“ITU-R对协调世界时（UTC）研究的现状”，为2012年1月在日内瓦举行的会议做准备；该份报导说，迄今为止，针对此议题在联合国机构于2010年和2011年的网络调查，该机构已经收到192个成员国的16份回复，其中13份赞成改革，3份反对。
- 2012年1月：国际电信联合会作出决定，将闰秒的决定延后到2015年11月的世界无线电通信大会上，而不是根据该计划决定是或否。
- 2015年11月：在这次会议上，再次决定继续使用闰秒，留待2023年那一次的会议，再进一步研究和审议。

2014年10月，民用GPS界面服务委员会计时小组委员会主席、欧空局导航计划委员会成员弗拉基米尔·勒万多夫斯基（Włodzimierz Lewandowski）向国际电信联合会提交了一份CGSIC认可的决议，支持重新定义，并将闰秒描述为“导航危害”。

反对者对拟议改革的一些反对意见做出了回复。例如，负责生成UTC的国际度量衡局时间、频率和重量量测部门的首长，费利西塔斯·阿里亚斯（Felicitas Arias）在一份新闻稿中指出：每60-90年大约一分钟的漂移可以与真太阳时和平均太阳时之间16分钟的年变化、使用日光时的一小时偏移，以及某些地理上超大时区的几个小时偏移进行比较。

2022年11月，在第27届国际计量大会上，科学家和政府代表投票决定到2035年取消闰秒。

## 插入（或删除）闰秒产生的问题

### 时差和事件顺序的计算

要计算两个给定UTC日期之间以秒为组织的运行时间，需要查阅闰秒表，每当宣布新的闰秒时，就需要更新该表。由于闰秒仅提前6个月知道，因此无法计算未来较长远的UTC日期时间间隔。

### 遗漏闰秒公告

虽然BIPM会提前6个月宣布闰秒，但大多数时间分配系统（SNTP、IRIG-B、PTP最多提前12小时宣布闰秒，有时只在最后一分钟，有些甚至根本没有（DNP 03）。不定期同步的时钟可能会错过一个闰秒，但仍然可能声称是完全同步的。

### 实施差异

并非所有时钟都以相同的管道实现闰秒。Unix时间中的闰秒通常通过重复23:59:59或添加23:59:60来实现。网络时间协定（SNTP）在闰秒期间冻结时间，服务器发出声明某个时段的“警报状态”。其它方案抹黑在闰秒附近的时间。

### 闰秒的文字标记法

BIPM将闰秒的文字表示定义为“23:59:60”。有些程式不熟悉此格式，在处理此类输入时可能会报告错误。

### 闰秒的二进制标记法

大多数电脑操作系统和大多数时间分配系统使用二进制计数器表示时间，该计数器指示自任意纪元起经过的秒数；例如，在POSIX机器中自1970-01-0100:00:00，或在NTP中自1900-01-0100:00:00。这些计数器不计算正闰秒，并且没有插入闰秒的指示器，因此顺序中的两秒将具有相同的计数器值。一些计算机的操作系统，特别是Linux，将前一个23:59:59秒的计数器值指定给闰秒(59-59-0 序列)。由于没有规范此序列的标准，因此在同一时间采样值的时间戳记可能会变化1秒。这可以解释依赖时间戳记值的时间关键型系统的缺陷。

### 与闰秒相关的其他报告的软件问题

2012年6月30日闰秒之后，许多组织报告了由有缺陷的软件引起的问题。报告出现问题的网站有Reddit（Apache Cassandra）、Mozilla（Hadoop）、Qantas和运行 Linux 的各种网站。

摩托罗拉Oncore VP、UT、GT和M12 GPS接收机的旧版本存在软件缺陷，如果256周内没有计划闰秒，则会导致单个时间戳记关闭一天。在2003年11月28日，就发生了这样的事件。在午夜时分，具有此固件的接收器报告2003年11月29日，持续1秒，然后恢复到2003年11月28日。

较旧的Trimble GPS接收机存在软件缺陷，会在GPS开始广播下一个闰秒插入时间（比实际闰秒提前几个月）后立即插入一个闰秒，而不是等待下一个闰秒发生。在这段时间里，接受者的休息时间减少了一秒钟。

较旧的基准泰梅塞（Tymeserve） 2100 GPS 接收器和对称通信的泰梅塞 2100 接收器也有与旧的 Trimble GPS 接收器类似的缺陷，时间减少了一秒钟。在一收到闰秒预告的通知就立即应用，而不是等待正确的日期。已经描述并测试了一种解决方法，但如果GPS系统重播公告，或者装置断电，问题将再次出现。

2015年1月21日，多个型号的GPS接收机在GPS发布公告后立即实施了闰秒，而不是等到6月30日的实施日期。

NTP 协定指定了一面标志，告知接收方闰秒即将到来。但是，一些 NTP 服务器未能正确设置闰秒标志。一些NTP服务器在插入闰秒后，长达一天内都回应错误的时间。

使用GPS或伽利略以及中国北斗在市场销售的四种不同品牌卫星数据导航接收机，甚至一些单独使用北斗卫星的接收机，被发现提前一天实施闰秒。这可以追溯到一个事实：北斗将一周中的天数从0到6进行编号，而GPS和伽利略则将其从1到7进行编号。闰秒对商业部门的影响被描述为“一场噩梦”。由于金融市场容易受到科技和法律上的闰秒问题影响，7家清算所和11家证券交易所（包括纽约证券交易所）的母公司洲际交易所在2015年6月30日闰秒时停止营运61分钟。

尽管对2015年闰秒进行了宣导，但由于某些路由器的闰秒相关软件错误，仍发生了少量网络故障。此外，Twitter、Instagram、Pinterest、Netflix、亚马逊和苹果的音乐流媒体系列Beats 1也出现了约40分钟的中断。

思科系统NEXUS 5000系列操作系统NX-OS的几个旧版本（版本5.0、5.1、5.2）受到闰秒错误的影响。

闰秒软件的漏洞影响了澳航和维珍澳洲航空使用的Altea航空公司预订系统。

Cloudflare受到闰秒软件错误的影响。它的域名系统（DNS）解析器在实现减去从Go程式设计语言的time.Now函数中获得的两个时间戳记时，错误地计算了一个负数，然后该函数只使用了实时时钟源。这原本可以通过使用单调的时钟源来避免，该时钟源后来被添加到Go 1.9中。

人们担心2016年12月31日收成期间使用GPS的农业设备会受到2016年闰秒设置错误的影响。GPS导航使用GPS时间，不受闰秒的影响。

## 闰秒问题的解决方法

最明显的解决方法是在所有操作中使用国际原子时（TAI）尺规用于所有操作目的，并将其转换为协调世界时(UTC)成为人们可阅读的文件。UTC总是可以从TAI中汇出，并带有合适的闰秒表；反之则不确定。电影电视工程师协会的视频/音讯行业标准机构选择推导TAI来作为媒体的时间戳记。

IEC/IEEE 60802（时效性网络）规定了所有操作的TAI。电网自动化计划切换到TAI，用于在全球电网中发布事件。蓝牙网状网络也使用TAI。

Google服务器没有在一天结束时插入闰秒，而是实施“闰秒涂抹”，在以闰秒为中心的24小时内略微延长秒数。亚马逊在2015年6月30日插入闰秒时，采用了类似但略有不同的模式，导致另一个时间尺度激增的案例。他们后来发布了一个NTP服务的EC2实例，该服务执行“闰秒涂抹”。带有线性闰秒涂抹的UTC-SLS被提议作为UTC的一个版本，但从未成为标准。

有人提议，使用实时传输协议的媒体用户端在闰秒和之前的那一秒期间禁止生成或使用NTP时间戳记。

NIST建立了一个特殊的NTP时间服务器，提供UT1而不是UTC。在ITU决议通过，并且不再插入闰秒的情况下，这种服务器将特别有用。那些需要UT1的天文观测站台和其它可以使用UT1的用户，尽管在许多情况下，这些用户已经从IERS下载了UT1-UTC，并在软件中应用了更正。

## 相关条目

- 时钟漂变：一个时钟与另一个时钟相比，时间增加或减少的现象。
- DUT1：描述协调世界时（UTC）和世界时（UT1）之间的区别。
- 力学时（Dynamical time scale）：一种时间的标准。从历书时（ET）过渡到地球时（TT）的时间尺度。
- 闰年：多出一天或一个月的年。
- 协调世界时：最主要的世界时间标准，其以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于格林威治标准时间。
- 地球自转速度

## 进阶读物

- Ahuja, Anjana (October 30, 2005). "Savouring the last leap second in history". New Straits Times, p. F10.
- Grossman, Wendy M. (November 2005). "Wait a Second". Scientific American, pp. 12–13.
- McCarthy, Dennis D. & Seidelmann, P. Kenneth. (2009). TIME From Earth Rotation to Atomic Physics. Weinheim: Wiley-VCH.
- Merali, Zeeya. (November 8, 2011). "Time is running out for the leap second". Nature News.
- Finkleman, David, et al. "The Future of Time: UTC and the Leap Second" , American Scientist, July–August 2011, 99(4):312-319. DOI: 10.1511/2011.91.1
- Kamp, Poul-Henning The One-Second War , Communications of the ACM, May 2011, 54(5):44-48. DOI:10.1145/1941487.1941505

## 外部链接

- IERS Bulletin C (leap second announcements)
- LeapSecond.com – A web site dedicated to precise time and frequency
- NIST FAQ about leap year and leap second
- The leap second: its history and possible future
- Leap Seconds, U.S. Naval Observatory
- Judah Levine's Everyday Time and Atomic Time series