La seconde "intercalaire" ...

 

Dans la nuit du 30 juin au 1er juillet 2015, juste avant 0h 00min 00s UTC, une seconde supplémentaire viendra s’ajouter au temps légal de tous les pays du monde.
En France, compte-tenu de l’heure d’été, cette seconde intercalaire interviendra le 1er juillet au matin : les horloges afficheront 1h 59min 59s, puis 1h 59min 60s et enfin 2h 00min 00s.
La dernière minute avant 2h durera donc 61secondes !
L’ajout de cette seconde, corrélé aux variations de la rotation de notre planète, est décidé au niveau mondial à l’Observatoire de Paris au sein de son laboratoire "Systèmes de Référence Temps-Espace" ( SYRTE ) .

Responsable du temps légal Français, celui-ci est aussi chargé d’introduire cette seconde intercalaire dans notre pays

 

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Salle de contrôle du temps légal 
(crédit photo : Observatoire de Paris)

La rotation de la Terre, à l’origine de l’alternance entre le jour et la nuit, est irrégulière et ralentit lentement au cours du temps. Les marées provoquées par la Lune et le Soleil dissipent son énergie de rotation sur le long terme.
À plus courte échéance, des variations aléatoires apparaissent au gré des mouvements atmosphériques, des variations saisonnières des calottes glacières, des mouvements du cœur interne, voire des séismes.
Cette rotation par rapport à un référentiel fixe défini par des quasars, moyennant quelques corrections, définit le "Temps Universel" (UT1), prolongation moderne du temps moyen de "Greenwich" (GMT), désormais obsolète .

Depuis 1967, la seconde n’est plus calculée à partir du mouvement des astres mais en utilisant les propriétés de la matière, à savoir la tendance qu’ont les atomes à émettre un rayonnement avec une fréquence toujours identique lorsqu’ils changent de niveau d’énergie.
C’est ainsi que l’on  défini aujourd'hui la seconde du système international !

C’est une composante du "Service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence" (IERS), implantée à l’Observatoire de Paris au sein du "SYRTE" , qui mesure les variations de l’orientation de la Terre et qui est donc responsable de la prédiction et de l’annonce de ces secondes intercalaires.

Cette décision est ensuite mise en œuvre par les autorités internationales et nationales responsables de la diffusion du temps. Pour la France, c’est le LNE-SYRTE qui est chargé de cette mission.
Cette autre composante du SYRTE fabrique le "Temps Universel Coordonné de l’Observatoire de Paris" (UTC-OP).
Cette référence de grande précision est utilisée par l’horloge parlante de l’opérateur Orange, hébergée à l’Observatoire de Paris, pour diffuser le temps légal français ; on peut l’écouter en composant le 36 99.
Le temps légal basé sur UTC(OP) est également diffusé de manière transparente par encodage sur l’onde porteuse de France Inter, afin qu’il puisse être utilisé à tout moment par des laboratoires, des industriels, ou des collectivités partout en France métropolitaine .

La recherche d’une précision toujours plus grande est motivée par des applications très concrètes comme le GPS, et d’autres plus théoriques en physique fondamentale et en astronomie.
Les dernières générations d’horloges, développées au SYRTE, utilisent des atomes de strontium refroidis par laser et permettront d’atteindre prochainement une précision de 10 ^-17 sur la fréquence de l’horloge, soit une erreur d’une seconde au bout de 3 milliards d’années !

Le maintien de la seconde intercalaire est aujourd’hui âprement discuté !
Son implémentation dans les systèmes informatiques n’a pas encore été totalement résolue et standardisée, du fait de son imprévisibilité et sa rareté (après 2005 et 2008, ce sera la 3e seconde ajoutée depuis 1999). Depuis 1972, 24 secondes intercalaires ont été introduites et aucun incident sérieux n’a cependant été constaté.

En plus d’un écart d’une heure au bout de 500 ans, la plus spectaculaire conséquence de sa suppression serait, pour la première fois dans l’histoire de l’humanité, de découpler totalement l’heure des mouvements célestes.

Son sort sera décidé lors de la prochaine conférence mondiale des radiocommunications organisée par l’UIT (Union Internationale des Télécommunications) .

 

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Pour aller un peu plus loin dans l'explication de la mesure du Temps ...

 

Dès l'avènement des premières bonnes horloges , la notion de journée définie entre deux couchers-de-soleil fut abandonnée pour utiliser le jour solaire (de midi à midi).
La mise au point des premiers chronomètres permit de prendre une moyenne des variations prévisibles de la journée solaire et définir une échelle de temps basée sur la rotation moyenne de la Terre. Elle a été appelée à divers moments le "temps universel" (UT), "l'heure zulu" (Z) ou le "temps moyen de Greenwich" (GMT).
L'expression « temps moyen » signifie simplement qu'une méthode d'établissement de la moyenne a été utilisée.

Depuis la mise au point des premières horloges atomiques , dont la stabilité dépasse largement la stabilité de la rotation de la Terre , on a dénommé plusieurs méthodes pour faire la moyenne afin de corriger les irrégularités aléatoires et prévisibles de la rotation de la Terre .

 

UT

Temps universel, soit UT, est le nom générique du temps moyen solaire de Greenwich, utilisé à des fins civiles quand ce n'est pas nécessaire de préciser la méthode pour faire la moyenne.

 

UT0 (UT zéro)

C'est le nom moderne de la première méthode permettant de faire la moyenne pour corriger les variations saisonnières dues à l'inclinaison et l'excentricité de l'orbite terrestre. Ces variations sont données par « l'équation du temps ». On dit « U-T-zéro ». C'était la première méthode utilisée pour le temps moyen de Greenwich (GMT).

(Jusqu'en 1925, il y avait deux façons de changer la date avec GMT. Pour les fins civiles, GMT change la date à minuit, mais jusqu'en 1925, les astronomes changeaient la date douze heures plus tard, à midi, plutôt qu'à minuit pendant leurs observations.)
Les historiens doivent donc  faire attention , pour cette époque , à ne pas confondre le jour et la nuit !

 

UT1

En ajoutant la correction pour la migration polaire à UT0, on obtient UT1. C'est l'échelle de temps offrant la meilleure précision avec les méthodes astronomiques de navigation et d'arpentage. C'était la deuxième méthode utilisée pour le GMT.

 

UT2

Si l'on effectue la moyenne saisonnière du UT1, on obtient UT2. Cette méthode fut utilisée brièvement pour le GMT et le pilotage de l'UTC avant 1972.

 

UTC

Si l'heure et le taux d'une échelle de temps sont coordonnés à l'aide de comparaisons internationales organisées sous l'égide de la Convention du mètre, on obtient UTC: le temps universel coordonné qui est l'application moderne du GMT et constitue la base de temps officielle dans le monde.

Jusqu'en 1972, la durée de la seconde de chacune de ces échelles de temps variait légèrement (mais de façon différente) pour garder le pas avec les variations de rotation de la Terre.
Depuis 1972, la durée de la seconde UTC a été fixée à la valeur établie par une moyenne d'horloges atomiques: TAI (Temps Atomique International) autour du monde et les secondes intercalaires ont été ajoutées pour aligner à 0,9 seconde près l'UTC sur l'UT1.

L'International Earth Rotation Service (Service international de rotation de la Terre) (IERS) à Paris est chargé de prédire quand la prochaine seconde intercalaire sera nécessaire. Il informe ensuite les laboratoires de temps nationaux, comme le Conseil national de recherches, de l'approche de la seconde intercalaire.
Cette seconde intercalaire peut être introduite (où enlevée
si nécessaire) dans la dernière minute "UTC" de la journée du 30 juin ou du 31 décembre. Les horloges qui tirent partie de l'installation de prévision de la seconde intercalaire, diffusée par les laboratoires de temps, auront donc une minute avec "61 secondes" à ce moment-là.
Avec une seconde intercalaire positive, la dénomination de la suite des secondes change de :

23:58:57, 23:58:58 , 23:58:59 , 23:59:00, 23:59:01 , 23:59:02...
à
23:59:57, 23:59:58 , 23:59:59 ,
23:59:60 , 00:00:00 , 00:00:01...

D'autres horloges donnent la même heure (00:00:00) pendant deux secondes, et il est possible de renverser l'ordre de deux événements (par exemple, si 23:59:60,9 et 00:00,1 sont pris comme 00:00:00,9 et 00:00:00,1 en mauvais ordre).
En conséquence , il y a des horloges, telles que celles d'ordinateurs utilisant le logiciel NTP qui changent l'heure lentement (pendant une demi-heure, par exemple) pour éviter ce problème.

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Les Horloges Atomiques

Une horloge atomique est un étalon de fréquence , de phase et de temps

Depuis son invention par "H. Lyons"  en 1947 ,  l'horloge atomique est actuellement l’instrument de mesure du temps le plus précis .
La précision d’une horloge atomique est telle, que la dérivation est inférieure à une seconde en 3000 ans.
En 1955 , "Essen" et "Parry", grâce aux travaux de "N.Ramsey" (méthode permettant l’amélioration de l’interaction onde électromagnétique/atomes établie en 1950), réalisèrent l’asservissement d’un oscillateur à quartz par la résonance du césium .
La première horloge atomique à jet de césium était née !
L’horloge atomique à jet de césium est l’horloge atomique la plus stable et la plus exacte au monde (exacte par définition, étant donné que la seconde est définie par rapport à son fonctionnement).
Le fonctionnement d’une horloge atomique repose sur des règles simples de la physique quantique, mais peut cependant s’avérer compliqué à comprendre pour ceux qui n’auraient pas de connaissances dans ce domaine.
Comme son nom l’indique, son fonctionnement repose sur les propriétés énergétiques de l’atome définies par "Niels Bohr" en 1913 .


On peut  effectivement  se demander où se situe l'intérêt  à mesurer le temps de manière aussi précise ! Certes ...

Pourtant , cette précision a son utilité ... une des raisons fondamentales étant la synergie des systèmes de communication !
En effet , les messages envoyés par les satellites sont découpés par tranches de quelques millionièmes de seconde, cela afin de relayer un maximum de communications dans un minimum de temps.
Ce découpage nécessite donc une horloge d'une extrême précision  !


L'horloge atomique est en quelque sorte un étalon de fréquence qui accumule au cours du temps les secondes qu'il génère afin de construire une échelle de temps semblable à celle de nos montres à quartz !

Basées sur des principes de physique atomique, ces horloges se classent en plusieurs catégories :

Horloges atomiques à césium  
les étalons primaires de fréquence à jet de césium sont des instruments qui permettent une réalisation de la seconde telle qu'elle est définie dans le "Système International d'Unités"  .
Il existe actuellement une dizaine d'étalons de ce type .

Masers à hydrogène 
Les "masers" sont des effets laser en ondes radio . 
Il existe des masers à hydrogène passifs ou actifs. Leur stabilité à court terme (durées inférieures à un jour) est meilleure que les étalons à césium, mais à long terme ,  ils présentent une instabilité , d'où une
moins bonne exactitude .

Horloges à cellule de rubidium, à ions mercure.
Il existe de nombreux organismes dans le monde qui possèdent des horloges atomiques ou des étalons primaires de fréquence.
Bien sûr , chacun de ces organismes souhaite comparer ses propres instruments à ceux des autres  à des fins d'évaluation et d'amélioration de leurs qualités métrologiques ou simplement pour participer au calcul du "Temps Atomique International" (TAI ) . 
La méthode la plus classique pour comparer des horloges distantes consiste à employer les satellites du "Global Positioning System" (GPS) .

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Comment fonctionne une horloge atomique à Césium ?

Toutes les horloges modernes fonctionnent à partir d'un phénomène périodique, c'est-à-dire qui se répète de manière identique à intervalles réguliers. Les performances remarquables des horloges atomiques sont dues à l’utilisation des atomes comme élément oscillant. Ces oscillations sont extrêmement rapides mais aussi très régulières. Tous les atomes d'une même espèce sont caractérisés par des périodes d'oscillation rigoureusement identiques et stables.
A titre de comparaison, deux horloges atomiques s'écartent l'une de l'autre d'un milliardième de seconde en un jour, soit un écart 100'000'000 (cent millions) de fois plus petit qu'entre deux montres à quartz.
Ainsi, le principe d'une horloge atomique est basé sur un aspect fondamental de la physique quantique : un atome peut exister sous différents niveaux d'énergie qui sont quantifiés, c'est à dire que l'énergie d'un atome ne peut prendre que des valeurs bien précises, caractéristiques de la nature de cet atome (hydrogène, césium ... etc )

Ce type d'horloge est encore la meilleure façon de mesurer le temps grâce à la merveilleuse reproductibilité de l'état spinant des atomes de césium.

 

Une fiole avec 1g de césium liquideLe césium pur est un métal de couleur argenté, tirant sur le doré, dont le point de fusion est 28ºC.
Sa facilité de réaction avec d'autres éléments le rend invisible dans la nature.
Un "pied cube" (mesure anglaise qui équivaut à 2,31 litres)  de granite ordinaire peut pourtant en contenir un gramme, la quantité que contient la fiole dans l'image ci-contre est  la quantité utilisée en un an par une horloge typique.

 

 

Des atomes de césium en traversant CsV

Le césium naturel est du "césium 133 pur" (noyau = 55 protons + 78 neutrons) et est "non radioactif" !
Les atomes de césium 133 sont envoyés à très grande vitesse d'un bout à l'autre de la chambre à vide !

 

 

 

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L'horloge à césium de CNRC, CsV, en marche depuis 1975.

Le grand tube en aluminium est une chambre à vide qui contient le coeur de l'horloge.
Des atomes de césium sont émis à une extrémité du tube et traversent deux cavités micro-onde (le guide d'onde de cuivre qui alimente les micro-ondes dans ces cavités peut être vu du côté supérieur du tube) avant qu'ils soient analysés et détectés à l'autre extrémité.

La source de césium forme, par évaporation, un jet d'atomes voyageant sans collision à environ 250 m/s dans un vide maintenu par une pompe .
L'aimant "A" dirige les atomes dont la magnétisation correspond à l'état "f=3" du niveau fondamental du césium 133 vers la cavité de Ramsey.
Les autres atomes de césium sont dirigés vers un absorbant en graphite.

A noter les murs "tapissés" de cuivre afin de protéger l'horloge des interférences extérieures !

 

 

 

La cavité de Ramsey induit un « mélange » des états "f=3" et "f=4" des atomes de césium.
Cet « état spinant », à quelques corrections près, correspond à une précession du spin de "9 192 631 770 rotations par seconde", dans le champ magnétique généré par l'aimant "C".
Les écrans magnétiques isolent les atomes des champs magnétiques externes, dont le champ terrestre qui est environ 10 fois plus grand que le champ de l'aimant "C".

La précession des atomes de césium est arrêtée par le passage dans la seconde extrémité de la cavité de Ramsey.
L'aimant "B" envoie sur l'absorbant en graphite les atomes qui se sont arrêtés dans l'état "f=3" et concentre sur l'ionisateur à filament chaud les atomes dans l'état "f=4".
Ces derniers seront d'autant plus nombreux que la fréquence de la cavité de Ramsey est proche de la fréquence de précession des atomes de césium.

Fréquence habituelle d'atomes de césium

Le collecteur d'ions couplé à l'amplificateur génère un courant proportionnel au nombre d'atomes de césium ionisés par le filament chaud.
Ce courant est utilisé par l'asservissement pour contrôler un oscillateur à quartz de façon à maximiser le courant. Après mesure et correction des biais connus, la sortie de fréquence est de "10 000 000 Hz", précise à environ "5 parties par cent mille milliard par jour".
Un tel étalon de fréquence est utile en métrologie, communications, ingénierie et sciences.

Une horloge utilise quelques autres composantes.
Un compteur, qui à chaque 10 millions de cycles, génère une impulsion exactement à une seconde d'intervalle l'une de l'autre.
Au démarrage, l'heure est ajustée au Temps Atomique International (TAI), conservé par des générations d'horloges atomiques depuis 1958, Lorsqu'il a été ajusté au temps astronomique, d'autres circuits comptent les secondes, minutes, heures, jours, années, etc...

 

 

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Pour les "accros" de Physique Quantique  , voici un petit "bonus" extrêmement simplifié du  postulat de "Niels BOHR" ...

 

 

Niels Bohr

Pour expliquer l’existence des spectres de raies d’émission bien définies, "Bohr" introduit l’hypothèse de la "quantification de l’énergie" : l’énergie d’un atome ne peut prendre qu’un certain nombre de valeurs discontinues croissantes : E1, E2… Ep, En appelés "niveaux d’énergie".
On ne peut jamais observer d’atome possédant une énergie intermédiaire entre deux niveaux d’énergie.

Lorsqu’un atome passe d’un niveau d’énergie En à un niveau inférieur d ‘énergie Ep un photon d’énergie hvnp est émis. Toute l’énergie que l’atome a perdu se retrouve dans le photon émis. Le principe de conservation de l’énergie appliqué à l’atome conduit à : hvnp = En - Ep

De même, pour qu’un atome passe d’un niveau d’énergie Ep à un niveau d’énergie En supérieure, il faut lui fournir de l’énergie. Par exemple, il peut absorber un photon d’énergie  hvnp  , tel que : hvnp = En - Ep

Mais on a aussi : En - Ep = hvnp = h.c!/!l

v est la fréquence de l'onde lumineuse associée aux photons, "h" est la constante de Planck [h = 6,62 . 10^-34 joule-seconde] , "c" est la vitesse de la lumière [3.10-8 m/s] et "l" la longueur d'onde !

En effet, à chaque transition électronique correspond l'émission d'un rayonnement de fréquence déterminée, sous la forme d'une raie lumineuse située dans le domaine du visible, de l'infrarouge ou de l'ultraviolet.
En conséquence, chaque élément chimique génère un spectre de raies spécifique, qu'on pourrait assimiler à son "empreinte digitale".

On peut ensuite connaître la période par la formule v = 1 / T et la longueur d'onde par la formule λ = c x T.

 

Cas de l'atome d'hydrogène :

L'énergie de l'atome d'hydrogène sur son nième niveau est :    En = - Eo / n2   E0 = 13,6 eV est l'énergie d'ionisation de l'atome.
[1 eV = 1,6.10-19 J]

 

 

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 Chers amis ...  Terminons ce petit exercice de vulgarisation conforme à l'entendement de la "lycéenne de Terminale S" en vous souhaitant de mettre à profit cette "seconde supplémentaire" de sommeil  pour vivre de jolis rêves !

 

P.H. C-B
Chamonix le 28 Juin 2015

 

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