Generazione del campione nazionale del tempo - di Roberto Costa

TEMPO E FREQUENZA

Roberto Costa

Generazione del campione nazionale di tempo

degli ultimi cinquant’anni

THE ITALIAN STANDARD TIME SCALE The national standard time UTC(IT) is created and maintained at the Time and Frequency laboratory of the INRIM (LabTF). Below we’ll analyze the trend of UTC(IT) compared to the Universal Time Coordinated (UTC), during the last fifty years. More specifically, the progress achieved in all these years, the different atomic clocks and the different generation methods used to improve the national standard time, will be observed.

RIASSUNTO Il campione nazionale di tempo UTC(IT) è realizzato e mantenuto presso il laboratorio di Tempo e Frequenza dell’INRIM (LabTF). Di seguito si analizzerà l’andamento di UTC(IT) rispetto il Tempo Universale Coordinato (UTC), nel corso di circa cinquant’anni. Più nello specifico verranno osservati i progressi ottenuti in tutti questi anni, i diversi orologi campione e le diverse modalità di generazione, utilizzate per migliorare il campione nazionale.

INTRODUZIONE

In base alla legge dell’11 agosto 1991, n. 273 “Istituzione del sistema nazionale di taratura”, l’INRIM è Istituto Metrologico Nazionale primario (NMI – National Metrological Institutes), e realizza e mantiene per l’Italia il campione nazionale di tempo UTC(IT) che riproduce l’unità di riferimento internazionale UTC (secondo SI). Il LabTF si occupa di generare e mantenere questo riferimento nazionale di “secondo campione”. Di seguito si intende analizzare l’andamento della scala di tempo italiana UTC(IT) generata presso il LabTF, rispetto alla scala di tempo internazionale UTC (Universal Time Coordinated), nel corso di circa cinquant’anni. Più nello specifico si analizzerà a grandi linee l’andamento della scala nel corso del tem - po, i diversi orologi campione e le di verse modalità di ge nerazione. Verranno osservati i progressi ottenuti in tutti questi anni, oltre a ragionare su possibili sviluppi delle tecniche di generazione, per mi gliorare il campione nazionale.

SECONDO INTERCALARE E ORA LEGALE

Nel 1875 l’unità di misura del tempo venne definita come la frazione di 1/86 400 dell’intervallo di tempo tra due passaggi consecutivi del “Sole medio” a un qualsiasi meridiano (UT). Quando apparve l’evidenza del fenomeno di migrazione dei poli, la scala di tempo universale, basata solo sull’osservazione del passaggio del sole medio, venne denominata UT0, mentre venne definita una nuova scala l’UT1, che teneva conto della polodia (cioè il movimento dei poli sulla crosta terreste) e della conseguente variazione dei meridiani di riferimento. Essa indicava la posizione angolare della terra e la sua conoscenza riveste an cora oggi un ruolo importante, soprattutto per le os - servazioni astronomiche. Intorno agli anni ‘40 venne osservata una variazione della velocità di rotazione della Terra, con conseguente variazione del - la durata del giorno. Venne allora definita la scala UT2 che ebbe poca fortuna perché, con l’avvento degli orologi atomici, venne abbandonata a favore della scala di tempo atomica internazionale (TAI). Dal 1967 la definizione

del secondo SI è basata su una delle proprietà in trinseche degli atomi con - siderate co stanti e immutabili. Il se - condo diventò quindi: “la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio 133”. In - torno al 1970, dopo la definizione della scala atomica di riferimento internazionale (TAI posta in accordo con la scala UT1 a partire dal 1958), la scala UTC venne adottata come riferimento anche per gli usi civili oltre che per quel li scientifici e fu definita come la scala di tempo con unità pari al secondo atomico, ma mantenuta in stretto accordo con UT1, mediante periodici aggiustamenti discreti che consistono nell'aggiungere o eliminare un secondo. Il secondo di correzione, detto se - condo intercalare, viene inserito solo quando necessario e solo in date preci - se [2]. La tabella 1 riporta le correzioni alla scala di tempo UTC. Nel novembre 2018, esperti di tutto il mondo, si sono riuniti nella 26° Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM) a Versailles, per valutare la ridefinizione delle unità di misura. Il CGPM è l’organo politico-decisionale dell’Ufficio Internazionale del Pesi e delle Misure, con il compito di coordinare le attività e assicurare l’uniformità del sistema di misura a livello globale. Delle sette unità fondamentali: secondo, metro, candela, kilogrammo, kelvin, ampere e mole, sono state ridefinite le ultime quattro sulla base di costanti universali della fisica. Le altre sono rimaste sostanzialmente invariate, ma espresse in modo uniforme, esplicitando meglio la costante utilizzata. Dal maggio 2019, l’unità SI del secondo, simbolo s,

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) – Torino r.costa@inrim.it

Tabella 1 – Elenco dei secondi intercalari applicati sulla scala di tempo

Data

Correzioni di tempo1 gennaio 1972 -101 luglio 1972 -11 gennaio 1973 -11 gennaio 1974 -11 gennaio 1975 -11 gennaio 1976 -11 gennaio 1977 -11 gennaio 1978 -11 gennaio 1979 -11 gennaio 1980 -11 luglio 1981 -11 luglio 1982 -11 luglio 1983 -11 luglio 1985 -11 gennaio 1988 -11 gennaio 1990 -11 luglio 1991 -11 luglio 1992 -11 luglio 1993 -11 luglio 1994 -11 gennaio 1996 -11 luglio 1997 -11 gennaio 1999 -11 gennaio 2006 -11 gennaio 2009 -11 luglio 2012 -11 luglio 2015 -11 gennaio 2017 -1Totale al dicembre 2018 -37

viene quindi definito come: “il valore numerico prefissato della frequenza del cesio Du Cs

(la frequenza della transizione iperfine dello stato fondamentale imperturbato dell’atomo di cesio 133), pari a 9 192 631 770 quando espresso in Hz (che equivale a s −1 )”. Per ora legale si intende l’anticipo di 60 minuti primi dell’ora del fuso di

appartenenza per un periodo dell’anno stabilito per legge. Lo scopo che ci si prefiggeva era quello di limitare i consumi energetici mediante una migliore utilizzazione della luce naturale e, da allora, è stato adottato a più riprese in molti pae si. Altri benefici evidenziavano una mag giore possibilità di stare all’aria a perta per bambini e anziani e una riduzione de gli atti criminali. In realtà quantificare i vantaggi reali di questi provvedimenti si è rivelata un’ardua im presa e molti ri mangono gli scettici. In Italia fu introdotta la prima volta alle ore 24 del 3 giugno 1916; dal 1980 l’ora legale estiva vie ne introdotta con temporaneamente nei paesi della comunità alle ore 02:00 e si ritorna all’ora so lare alle 03:00 (estive). Il pe - riodo in cui rimane in vigore, inoltre, è stato prolungato di un mese a partire dal 1996. La nuova regola stabilisce infatti che tale ora ab bia inizio l’ultima domenica di marzo e termini l’ultima domenica di ottobre per allinearsi a quanto veniva già fat to in Gran Bretagna. Ovviamente né le date né le ore di

adozione dell’ora legale o estiva e del ritorno a quella solare sono unificate a livello mondiale, e non è impresa facile avere informazioni in proposito [2]. Inoltre da qualche tempo circola la notizia che l’Unione Europea abbia intenzione di eliminare questa pratica, lasciando dal 2021 a ogni singola nazione la facoltà d’introdurre il cambio di ora. Per il momento non ci sono informazioni definitive per l’Italia in questo senso. In tabella 2 l’elenco delle date di cambiamento dell’ora effettuate in Italia dal 1916 a oggi.

COM’È GENERATA LA SCALA DI TEMPO ITALIANA

Per generare la scala di tempo italiana si utilizzano i segnali di orologi atomici mantenuti in accordo con l’UTC, me - diante correzioni di frequenza e di deriva di frequenza, dette “steering della scala”. Queste sono effettuate sulla base di valutazioni provenienti dall’Istituto che raccoglie le misure degli orolo-

Tabella 2 – Elenco delle date di cambio ora effettuate in Italia

Spostamento dell'ora in avanti

Spostamento dell'ora indietro

Anno

Inizio

Fine

1916

dalle ore 24:00 del

3 giugno

alle ore 24:00 estive del

30 settembre

1917

"

31 marzo

"

30 settembre

1918

"

9 marzo

"

6 ottobre

1919

"

1 marzo

"

4 ottobre

1920

"

20 marzo

"

18 settembre

...

1940

dalle ore 24:00 del

14 giugno

...

1942

alle ore 03:00 estive del

2 novembre

1943

dalle ore 02:00 del

29 marzo

"

4 ottobre

1944

"

3 aprile

alle ore 02:00 estive del

17 settembre

1945

"

2 aprile

alle ore 01:00 estive del

15 settembre

1946

"

17 marzo

alle ore 03:00 estive del

6 ottobre

1947

dalle ore 00:00 del

16 marzo

alle ore 01:00 estive del

5 ottobre

1948

dalle ore 02:00 del

29 febbraio

alle ore 03:00 estive del

3 ottobre

...

1966

dalle ore 00:00 del

22 maggio

alle ore 24:00 estive del

24 settembre

1967

"

28 maggio

alle ore 01:00 estive del

24 settembre

1968

"

26 maggio

"

22 settembre

1969

"

1 giugno

"

28 settembre

1970

"

31 maggio

"

27 settembre

1971

"

23 maggio

"

26 settembre

1972

"

28 maggio

"

1 ottobre

1973

"

3 giugno

"

30 settembre

1974

"

26 maggio

"

29 settembre

1975

"

1 giugno

"

28 settembre

1976

"

30 maggio

"

26 settembre

1977

"

22 maggio

"

25 settembre

1978

"

28 maggio

"

1 ottobre

1979

"

27 maggio

"

30 settembre

1980

dalle ore 02:00 del

6 aprile

alle ore 03:00 estive del

28 settembre

1981

"

29 marzo

"

27 settembre

1982

"

28 marzo

"

26 settembre

1983

"

27 marzo

"

25 settembre

1984

"

25 marzo

"

30 settembre

1985

"

31 marzo

"

29 settembre

1986

"

30 marzo

"

28 settembre

1987

"

29 marzo

"

27 settembre

1988

"

27 marzo

"

25 settembre

1989

"

26 marzo

"

24 settembre

1990

"

25 marzo

"

30 settembre

1991

"

31 marzo

"

29 settembre

1992

"

29 marzo

"

27 settembre

1993

"

28 marzo

"

26 settembre

1994

"

27 marzo

"

25 settembre

1995

"

26 marzo

"

24 settembre

1996

"

31 marzo

"

27 ottobre

1997

"

30 marzo

"

26 ottobre

1998

"

29 marzo

"

25 ottobre

1999

"

28 marzo

"

31 ottobre

2000

"

26 marzo

"

29 ottobre

2001

"

25 marzo

"

28 ottobre

2002

"

31 marzo

"

27 ottobre

2003

"

30 marzo

"

26 ottobre

2004

"

28 marzo

"

31 ottobre

2005

"

27 marzo

"

30 ottobre

2006

"

26 marzo

"

29 ottobre

2007

"

25 marzo

"

28 ottobre

2008

"

30 marzo

"

26 ottobre

2009

"

29 marzo

"

25 ottobre

2010

"

28 marzo

"

31 ottobre

2011

"

27 marzo

"

30 ottobre

2012

"

25 marzo

"

28 ottobre

2013

"

31 marzo

"

27 ottobre

2014

"

30 marzo

"

26 ottobre

2015

"

29 marzo

"

25 ottobre

2016

"

27 marzo

"

30 ottobre

2017

"

26 marzo

"

29 ottobre

2018

"

25 marzo

"

28 ottobre

gi atomici presenti in tutto il mondo, il “Bureau International des Poids et Mesures” di Parigi (BIPM). Il BIPM elabora le misure fornendo a ogni singolo istituto nazionale i dati sull’andamento dei propri orologi. Ma non solo, nel mondo ci sono alcuni laboratori (come l’INRIM) che hanno in dotazione uno o più campioni primari di frequenza. Sulla base di tutti questi dati si effettuano periodiche operazioni di correzione per mezzo di un dispositivo chiamato Auxiliary Output Generator (AOG), sul segnale di un maser attivo all’idrogeno [3-8]. La peculiarità del riferimento nazionale di tempo è che i segnali devono essere generati senza interruzioni e resi disponibili 24 ore al giorno per tutto l’anno. La ne cessità di garantire il funzionamento in “tempo reale” comporta un notevole impegno per gli operatori del la boratorio.

SCALA DI TEMPO NEGLI ULTIMI CINQUANT’ANNI

Sui grafici di Fig. 1 si può vedere l’andamento della sca - la italiana nel tempo, rispettivamente per il periodo 1972-2018 e per il periodo 1990-1995 (fonte un rapporto tecnico dell’Istituto del 1995 [1]). Sull’asse delle ascisse lo scorrere del tempo è indicato con la Modified Julian Date (MJD), sistema di datazione molto utilizzato in campo scientifico, che si incrementa progressivamente giorno dopo giorno partendo da una data predefinita. Inizialmente la scala, allora denominata UTC(IEN), distava da UTC anche diversi µs (µs = un milionesimo di secondo), per poi assestarsi dopo il 1990 tra ± 1 µs. Le scale prima del 1997 erano generate a partire da oscillatori al quarzo, poi al rubidio. Successivamente si sono utilizzati orologi a fascio di cesio (prima l’HP5061A poi l’evoluzione l’HP5071A). In Fig. 2 è presente l’intero andamento degli ultimi 20 anni, dal 1998 a oggi. Come si può osservare, già dal 1998 è presente un miglioramento della generazione della scala rispetto gli anni precedenti con UTC-UCT(IT) tra -150 e +100 ns (ns = un miliardesimo di secondo). Per poi passare a ± 50 ns tra il 2006 e il 2009. Si può vedere un miglioramento significativo intorno al 2009, quando si è iniziato a utilizzare un maser attivo all’idrogeno, associato a un AOG per effettuare le opportune correzioni di frequenza. In questo periodo si è riusciti a restare intorno a ± 20 ns, per poi migliorare costantemente assestandosi a meglio di ± 10 ns dagli anni 2013 in poi. Il principale problema nel mantenere la scala entro limiti di scarto limitati, oltre alla periodicità delle regolazioni, è il verificarsi di guasti e anomalie impreviste degli impianti e dei dispositivi. In un periodo di relativa tranquillità lo scarto si è mantenuto entro ± 5 ns da UTC per circa due anni e mezzo (da fine 2013 a inizio 2016), come rappresentato in Fig. 3. Anche lo scarto relativo di frequenza y (Fig. 4) si atte - stava a valori intorno a circa ±6×10 -14 fino al 2007, per poi passare intorno a ±2×10 -14 tra il 2007 e il 2010, per assestarsi intorno a ±1×10 -14 dal 2010 (e in

Figura 1 – Andamento della scala italiana nel periodo 1972 – 2018 e 1990 – 1995 [1]

Figura 2 – Andamento della scala italiana nel periodo 1998-2018

Figura 3 – Andamento della scala italiana nel periodo 2013-2016

Figura 4 – Andamento dello scarto relativo di frequenza di UTC(IT) nel periodo 1998-2018

qualche periodo raggiungere anche ± 5×10 -15 ). In alcuni casi, altri laboratori internazionali sono riusciti a realizzare una scala di tempo con un andamento mi - gliore di quanto fatto in Italia. Si ten - ga però presente che la dotazione di orologi atomici e di personale di questi laboratori è decisamente più alta di quella del LabTF (es. il laboratorio statunitense United States Naval Observatory – USNO, possiede molti orologi tra cui: circa una trentina di ma ser all’idrogeno, alcune decine di orologi al cesio oltre ad alcune fontane al rubidio. Il LabTF possiede in tutto 6 cesi, 4 maser e il campione primario di frequenza a fontana di cesio).

UNO SGUARDO AL FUTURO

Come si è potuto osservare, in circa 50 anni, si è avuto un miglioramento nella generazione della scala di tem - po italiana di diversi ordini di grandezza. Dalla scala degli anni 70, la quale distava alcune decine di µs rispetto l’UTC (Fig. 1), alla scala attuale che resta intorno ± 5/10 ns (Figg. 2 e 3). Come descritto, questo è dovuto ai nuovi orologi atomici utilizzati e ai nuovi sistemi di generazione e controllo che sono stati predisposti nel corso del tempo. Altrettanto importante è l’algoritmo di steering utilizzato. Attualmente le operazioni di steering vengono eseguite dal personale del laboratorio valutando i dati degli orologi e

della scala con software dedicati. L’automatizzazione e il perfezionamento di questo sistema permetterà un ulteriore passo avanti. Da simulazioni effettuate dai ricercatori del LabTF, si è potuto valutare che passando al controllo automatico dei dati ap - plicati all’AOG, sul - la base dei dati forniti dal BIPM, la scala potrà essere mantenuta costantemente meglio di ± 5 ns rispetto a UTC, migliorando un po’ la situazione attuale. Nel caso si avesse costantemente a disposizione il campione di frequenza a fontana di cesio, la simulazione ha evidenziato che si potrebbe generare una scala a meglio di ± 3 ns. Questo sarebbe un miglioramento significativo. Tutto ciò è già in fase di sviluppo avanzato ed è ragionevole pensare che a medio termine si potrà realizzare la scala in questo modo. Queste analisi si basano sulla struttura hardware già predisposta e funzionante da una decina d’anni. Ricercatori dell’Istituto hanno fatto studi preliminari sulla possibilità d’utilizzare un nuovo sistema composto da un particolare fasometro multicanale, cambiando quindi completamente la struttura hardware. Questo sistema, ricevendo in ingresso i segnali di tutti gli orologi atomici disponibili, fornisce in uscita una scala di tempo generata non sul segnale fisico di un singolo “master clock”, ma sulla media opportunamente pesata e ponderata di tutti gli orologi. Il sistema potrebbe aumentare l’affidabilità nella generazione in quanto, se uno degli orologi utilizzati dovesse avere un guasto o un’anomalia, ne azzererebbe semplicemente il peso continuando a generare la scala senza interruzioni. Per il momento questo è un sistema sperimentale utilizzato per altre applicazioni, ma potrebbe essere una valida possibilità per un ulteriore miglioramento nella generazione della scala di tempo italiana del futuro.

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia il Dott. Valerio Pettiti per il materiale di carattere storico fornito, frutto di più di quarant’anni d’attività presso il LabTF.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

[1] F. Cordara, “Riferibilità di un centro di taratura di tempo e frequenza”, Rapporto Tecnico IEN n. 483 ottobre 1995. [2] F. Cordara, R. Mannucci, “Misurare il tempo e la frequenza”, Libro pubblicato dall’Editrice Il Rostro – 1997. [3] R. Costa, “Sistemi di controllo e mo - nitoraggio della scala di tempo nazionale UTC(IEN)”, Rapporto Tecnico IEN n. 660 giugno 2003. [4] R. Costa, F. Cordara, V. Pettiti, “La Scala di tempo nazionale UTC(IT): generazione mediante maser all’idrogeno, sistemi di disseminazione e di monitoraggio”, Rapporto Tecnico INRIM 28 ottobre 2006. [5] F. Cordara, R. Costa, V. Pettiti, “Generation of the National Time Scale UTC(IT) at INRIM: an update”, Proc. of EFTF European Time and Frequency Forum – Toulouse (France) 2008. [6] G. Cerretto, R. Costa, G. Fantino, E. Cantoni, I. Sesia, G. Signorile, P. Tavella: “INRIM Time and Frequency Laboratory: an update on the status and on the ongoing enhancement activities” ION- PTTI Precise Time and Time Interval – Boston (MA) dicembre 2014. [7] R. Costa, G. Cerretto, E. Cantoni, G. Fantino: “Sistemi di generazione, disseminazione e monitoraggio del “tempo campione” italiano” Rivista Tutto_Misure n. 3 settembre 2015. [8] R. Costa, G. Cerretto, A. Mura, M. Sellone: “Commutatore per scale di tempo” Rivista Tutto_Misure n. 2 giugno 2018.

Roberto Costa: laurea in ingegneria al Politecnico di Torino. Dal 1999 si occupa dell’attività di certificazione e taratura del LabTF. Inoltre collabora al mantenimento: degli orologi atomici, del campione nazionale di tempo, e dei sistemi di monitoraggio e disseminazione dei se - gnali del laboratorio. Dal 2009 è referente per la qualità della Divisione.