Miejscowość Mainflingen znajduje się jakieś 25km na południowy zachód od Frankfurtu. Na Google Maps pod współrzędnymi 50°0’50.72″N, 9°0’41.57″E można znaleźć tam polanę, a na niej na środku ciekawą konstrukcję – 150 (!) metrową antenę! Antena podłączona jest do nadajnika o oszałamiającej mocy 50 kW. Coż to za konstrukcja?!
Niemiecki PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Federalny Instytut Technologii, to ichniejsze krajowe centrum metrologiczne, taki nasz GUM – Główny Urząd Miar. Jednym z zadań PTB jest „rozpowszechnianie czasu” (dissemination of time). Co to znaczy? Że ten urząd techniczny ma ustalić jaki jest aktualny czas, a następnie podzielić się tą wiedzą z obywatelami. DCF77 to część tego systemu. Zanim dojdziemy do transmisji informacji o aktualnej godzinie zastanówmy się skąd właściwie tę informację mamy?
Zegary atomowe
Odkąd za Amenhotepa I Egipcjanie używali do pomiaru czasu naczynia z dziurką, czyli zegara wodnego, sporo się zmieniło w metrologii tej wielkości fizycznej. Dziś mierzymy (i definiujemy!) czas patrząc na przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi w strukturze atomu cezu-133. Zegary atomowe, najczęściej właśnie zegary cezowe, lub tańsze – rubidowe, to zegary, które mierzą liczbę przejść rzeczonego wzorca częstotliwości. Są one koszmarnie drogie, ale za to dokładność pomiaru czasu jest taka, że późni lub spieszy się on o jedną sekundę na… kilkanaście miliardów lat. Obecnie w Mainflingen pracują trzy takie zegary! Porównując podawany przez nie czas można mieć pewność, że nie dochodzi do żadnych zakłóceń i przekłamań w pracy aparatury. Mamy więc rzetelne, pewne i stabilne źródło naszego sygnału. Tylko jak ten sygnał przesłać ludzkości? Pominiemy tu wątek przesyłu przez Internet protokołem NTP (Network Time Protocol) oraz przez sieć komórkową, a skupimy się na falach radiowych, czyli rdzeniu systemu DCF77.
Fale długie – aż kilometrowe!
System, który funkcjonuje już od 1959r opiera się na transmisji sygnału czasu drogą radiową – na częstotliwości 77,5 kHz. To fale długie, ich długość jest rzędu kilku kilometrów. Generator o mocy 50 kW nadaje sygnał, którego zasięg wynosi 2000 km – sygnał DCF77 odbierać można w Moskwie i Portugalii! Sama moc generatora to jedno – ale miejsce instalacji anten celowo zostało wybrane jako podmokłe tereny o płytkim przebiegu wód gruntowych. W efekcie mokra ziemia ma wyższą przewodność i wpływa pozytywnie na transmisję fal radiowych. W efekcie w zależności od tego jak daleko jesteśmy od stacji korzystamy właśnie z fali gruntowej (gdy bliżej) lub z fali powietrznej, odbitej od jonosfery (gdy jesteśmy dalej).
Stabilność i zasięg to jedno – ale stosowanie fal radiowych ma też inną zaletę. W przeciwieństwie do sygnału GPS, gdzie aby go odbierać musimy mieć dobry zasięg, czyli najlepiej być pod gołym, bezchmurnym niebem, aby odbierać sygnał z satelity, w systemie DCF77 długie fale radiowe specjalnie nie przejmują się tym czy jesteśmy w środku budynku czy na zewnątrz – i tak spenetrują nasze mieszkanie. Sygnał mogą odbierać zegary ścienne lub zegarki osobiste.
Jak wygląda sygnał?
Co zatem – nawet siedząc w betonowej dżungli – zobaczymy w tym sygnale? Już za kilkadziesiąt złotych możemy kupić antenę ferrytową z układem do detekcji i zobaczyć, że co sekunda będziemy otrzymywać sygnał składający się z 60 bitów. Zerowy bit to start transmisji równo ze „startem” liczenia minuty. Z bitów 20-35 dowiemy się która jest minuta (21-28) i godzina (29-35), a z bitów 36-58 który mamy dzień miesiąca (36-41), dzień tygodnia (42-44), miesiąc (45-49) i rok w tym stuleciu (50-58). A początkowe bity?
Bit 15 mówi nam czy sygnał emituje właściwa, główna antena czy antena zapasowa. Z bitów 16-18 dowiemy się czy mamy czas letni czy zimowy (słabo mieć zegar atomowy, a się kropnąć w odczycie o godzinę…). A bit 19 to ogłoszenie nadania tak zwanej „sekundy przestępnej”, czyli sekundy, której czasem dodaje się do czasu uniwersalnego, żeby wziąć poprawkę na zjawiska astronomiczne – ot choćby dlatego, że prędkość obrotowa ruchu Ziemie nie jest stała w ciągu lat i stuleci.
Uważny czytelnik zauważy, że brakuje nam jeszcze opisu 14 bitów, 1-14! To miejsce zarezerwowane trochę na wszelki wypadek. Obecnie na tych bitach przesyłane są informacje pogodowe dla Niemiec, ale rząd federalny testował też możliwość wykorzystania tego „nośnika” do przekazywania ludności ostrzeżeń. System syren alarmowych należy do przestarzałych technologii (ktoś pamięta jaka sekwencja sygnałów co oznacza?), a na wypadek wojny cyfrowej musimy liczyć się z problemami z dostępem do Internetu i telefonii komórkowej. Ale stare dobre, fale radiowe, jak z Radia Wolna Europa, przejdą przez każdą żelazną kurtynę.