Torgnon 21 marzo Patrizia Tavella Istituto Nazionale Ricerca. Torino

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Italo Chiesa
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1 Torgnon 21 marzo 2015 Patrizia Tavella Istituto Nazionale Ricerca Metrologica Torino

2 Come si fa a sapere Cosa sono gli orologi atomici? perché nello spazio?

3 Nel 1612 Galileo scrisse una lettera al re di Spagna 3

4 Navigare osservando le lune ESA archive 4

5 Nel 2000 l Unione Europea e l Agenzia Spaziale Europea decidono di costruire un sistema satellitare per la navigazione civile che sia indipendente ma interoperabile con il GPS e con servizi addizionali Il sistema viene chiamato 5

6 6

7 Conoscere la proprio posizione -> misurare una distanza -> misurare un intervallo di tempo

8 Dove siamo?

9 Atterrare nella nebbia Un segnale elettromagnetico copre 1 metro in 3 nanosecondi (10-9 s) 300 nanosecondi = 100 metri di errore!!!

10 dove sono gli orologi? a bordo Disseminazione ora esatta ricevitori a Terra Ricevitori utenti (4a incognita) it Stazione di controllo, ora di riferimento Universal Time Coordinated Tempo Universale Coordinato

11 Abbiam bisogno di ottimi: Orologi (a Terra e nello Spazio) Sistemi di sincronizzazione Scale di tempo Metodidi calcolo l 11

12 Il 1 gennaio 2006, l Istituto Elettrotecnico Nazionale "Galileo Ferraris" (IEN) e l Istituto di Metrologia "Gustavo Colonnetti" (IMGC) si sono uniti per formare l Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (I.N.RI.M). INRIM è un ente pubblico che ha lo scopo di compiere e promuovere attività di ricerca scientifica in metrologia. La ricerca nella metrologia del tempo include: orologi atomici techniche di confronto e sincronizzazioni orologi modelli e algoritmi matematici» per realizzare e disseminare l ora esatta in Italia UTC(IT)» per contribuire all ora esatta internazione Universal Coordinated Time

13 13

14 PER MISURARE IL TEMPO Ci vuole qualcosa che oscilli e che oscilli regolarmente indipendentemente dalla posizione, epoca, condizioni...

15 Per secoli Il movimento della Terra ha segnato il tempo e su questo regolavamo gli orologi Dal 1967 Il tempo è scandito da orologi atomici che misurano le irregolarità del moto terrestre

16 Cosa sono gli orologi atomici? atomo nucleo elettrone radiazione elettromagnetica lunghezza d onda o frequenza

17 Gli atomi emettono o assorbono radiazioni di una ben determinata frequenza Mompella to 23

19 Fontana al Cesio criogenica INRIM ITCsF2 Relative accuracy 2x10 16 Laser cooling 1 µk; Cryogenic structure 89 K; Realizza in Italia la definizione del secondo 19

20 * 1/2 micron rispetto alla circonferenza terrestre * 1/40 millisecondo rispetto alla vita umana (80 anni) * 300 miliardesimi di secondo su un anno Chi si accorge di 300 miliardesimi di secondo? un fulmine dura 1 decimillesimo di secondo un treno ad alta velocità percorre qualche centesimo di millimetro i sistemi di navigazione sbagliano di almeno 100 metri: Galileo chiede 1,5 miliardesimi di secondo per rivelare le onde gravitazionali ci vuole almeno 100 volte per rivelare le onde gravitazionali ci vuole almeno 100 volte meglio

21 per saper dove siamo

22 ESA archive Galileo Sistema di Navigazione Satellitare Globale Europeo con 30 satelliti 23 March, 2015 The European GNSS Programmes 2

23 A archive Orologi Atomici a bordo dei satelliti ESAOrologi nello spazio Passive Hydrogen Maser Il piu` stabile ed accurato Perde non piu` di 0.5 ns in 12h, i.e. 1s in 3 milioni di anni Orologio al Rubidio Perde 3s in 1 milione di anni Errore nel tempo Errore in distanza 1 s m 1 ms (0.001 s) 300 m 1 ns ( s) 03m March, 2015 The European GNSS Programmes 2

24 A archive ESA March, en.htm The European GNSS Programmes 2

25 Tragitto del segnale Orologio del satellite Obit Orbita del satellite Atmosfera (Ionosfera + troposfera) multipath Orologio del ricevitore 25 Movimenti del terreno

26 La ionosfera è dovuta alla radiazione solare che ionizza gli atomi e le molecole dell atmosfera, producendo ioni e elettroni liberi. i L errore sul segnale puo arrivare a 45 metri 26

27 L attività solare influenza la ionosfera NASA 27

28 space-storms-could-threaten-the-uk-power-grid 28

30 La relatività con gli orologi atomici diventa quotidiana Gli orologi viaggianti van piano Gli orologi in montagna van veloci Redshift gravità = al km, 3 s/anno al km Su satellite GPS/Galileo a km effetti globali di relatività di cioè circa 1 g millisecondo / anno o 10 microsecondi al giorno

31 Un sistema di navigazione permette anche di 31

32 NIST A NRC IPQ LDS NPL OP VSL ORB DTAG CH SP PTB DLR IFAG TP SU AOS GUM OMH Bureau International des Poids et Mesures USNO IEN TUG BEV APL CNM ROA CAO UME BIPM Paris INPL CSAO BIRM NIM KRIS CLR NAOM ONRJ SO NRLM NAOT IGMA ONBA A F F RI C A CSIR O CEA A NI A AUS MSL SCL TL INRIM Clocks 2.3 % Total number of clocks ~380

33 UTC viene mantenuto in accordo con la rotazione della Terra Che strano la stella Polare si è abbassata La Polare sembra più alta.. nel 1850 A. Scheibe, 1936 Berlin d estate si gira più veloci N. Stoyko, 1936 Paris (BIH) Con orologi al quarzo hanno misurato che il giorno d estate dìè pià corto di circa 1.2 ms 33

34 Movimento del Polo, International Earth Rotation and Reference Systems Service 34

35 Rallentamento secolare DURATA DEL GIORNO (differenza rispetto a secondi) -8,00-6,00-4,00 Advance of one second per year ms -2,00 0,00 2,00 Delay of one second per year 4, Years 35

36 Variazioni della durata del giorno 36

37 Il Tempo Universale Coordinato UTC è basato sul tempo TAI degli orologi atomici ma ogni tanto si aggiunge un secondo per aspettare la rotazione della Terra 0-5 UTC - TAI Leap Seconds ( 1 s steps ) Ultimo secondo aggiunto il 30 Giugno 2012 Il prossimo il 30 giugno January 1, 1958 TAI = UT1 seconds January 1, 1972 UTC - TAI = -10 s Beginning of the Leap Seconds oggi TAI - UTC = 35 s - 34 s year 37

38 Global Positioning System: servizio di navigazione e di timing L ora GPS è partita in accordo con UTC ma poi non ha piu aggiunto secondi UTC-GPS Time UTC-GPS Time= -15 s UTC-GPS Time= -16 s UTC-GPS Time=0 s 06/01/80 29/06/ /06/2012 Oggi c è una differenza di 16 secondi tra l ora GPS e l ora UTC

39 Ai sistemi di navigazione non piace il secondo intercalare [TAI - Time scale (i)] 35 GLONASS time UTC Time difference e /se conds TAI GLONASS BEIDOU time GPS time GALILEO time? Year

BIPM press release 13 October 2011 The proposed redefinition of Coordinated Universal Time, UTC In January 2012 in Geneva, Government representatives at the World Radio Conference of the

40 BIPM press release 13 October 2011 The proposed redefinition of Coordinated Universal Time, UTC In January 2012 in Geneva, Government representatives at the World Radio Conference of the International Telecommunication Union will vote on the adoption of a new definition of the world s time scale, Coordinated Universal Time UTC, in which there will no longer be leap seconds. Today, leap seconds keep UTC, a time scale based on atomic clocks, in phase with the slightly variable rotation of the Earth. The possibility of dropping the leap seconds in UTC has created misconceptions in the popular press as to what is at stake. There are an increasing number of users of precise timing for whom the leap second causes serious technical problems. Vote postponed to

41 All INRIM lavoriamo da 15 anni in Galileo sincronizzazione dell ora di Galileo con l ora UTC ESA archive controllo comportamento orologi atomici a Terra e a bordo verifica dell ora esatta trasmessa da Galileo 41

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