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Appendix D. Leap Seconds (闰秒)

本附录详细说明闰秒的概念、历史和在RFC 3339中的处理方式。

什么是闰秒？​

闰秒 (Leap Second) 是偶尔添加到协调世界时 (UTC) 中的一秒，用于使UTC时间与地球自转保持同步。

为什么需要闰秒？​

原子时 (TAI):
- 基于原子钟，极其稳定
- 1秒 = 9,192,631,770个铯原子振荡周期
- 永不变化

地球自转:
- 不是完全均匀的
- 受潮汐摩擦等因素影响
- 逐渐变慢（每世纪约1.4毫秒/天）
- 速率不可预测

问题:
如果UTC仅基于原子时，几百年后UTC时间将与太阳时（地球自转）
显著偏离，最终可能在"中午"天还是黑的！

闰秒的运作方式​

闰秒可以是正闰秒（添加一秒）或负闰秒（减少一秒），但到目前为止只添加过正闰秒。

正闰秒示例​

正常的月末最后一分钟:
23:59:58
23:59:59
00:00:00 (下一天)

有正闰秒的月末:
23:59:58
23:59:59
23:59:60 ← 闰秒！
00:00:00 (下一天)

RFC 3339表示​

1990-12-31T23:59:60Z  ✅ 有效（1990年12月31日有闰秒）
2012-06-30T23:59:60Z  ✅ 有效（2012年6月30日有闰秒）
2015-06-30T23:59:60Z  ✅ 有效（2015年6月30日有闰秒）

2023-12-31T23:59:60Z  ❌ 无效（2023年12月31日没有闰秒）

历史闰秒列表​

自1972年引入UTC以来的所有闰秒：

年-月-日          UTC时间               TAI-UTC
1972-06-30    23:59:60Z    +11秒
1972-12-31    23:59:60Z    +12秒
1973-12-31    23:59:60Z    +13秒
1974-12-31    23:59:60Z    +14秒
1975-12-31    23:59:60Z    +15秒
1976-12-31    23:59:60Z    +16秒
1977-12-31    23:59:60Z    +17秒
1978-12-31    23:59:60Z    +18秒
1979-12-31    23:59:60Z    +19秒
1981-06-30    23:59:60Z    +20秒
1982-06-30    23:59:60Z    +21秒
1983-06-30    23:59:60Z    +22秒
1985-06-30    23:59:60Z    +23秒
1987-12-31    23:59:60Z    +24秒
1989-12-31    23:59:60Z    +25秒
1990-12-31    23:59:60Z    +26秒
1992-06-30    23:59:60Z    +27秒
1993-06-30    23:59:60Z    +28秒
1994-06-30    23:59:60Z    +29秒
1995-12-31    23:59:60Z    +30秒
1997-06-30    23:59:60Z    +31秒
1998-12-31    23:59:60Z    +32秒
2005-12-31    23:59:60Z    +33秒
2008-12-31    23:59:60Z    +34秒
2012-06-30    23:59:60Z    +35秒
2015-06-30    23:59:60Z    +36秒
2016-12-31    23:59:60Z    +37秒

注意:

  • 闰秒只在6月30日或12月31日添加
  • 自1972年以来共添加了27个闰秒
  • 最近的闰秒是2016年12月31日
  • 闰秒的添加频率在减缓

编程中的闰秒处理​

问题1: 大多数系统不支持闰秒​

# Unix时间戳不表示闰秒
# 1990-12-31T23:59:59Z 和 1991-01-01T00:00:00Z 
# 之间的时间戳相差1秒，而不是2秒

import time
from datetime import datetime

# 许多编程语言和操作系统会"抹平"闰秒
# 例如，在闰秒时刻，系统时钟可能会:
# 23:59:59 → 23:59:59 (停顿1秒) → 00:00:00
# 或者: 23:59:59 → 23:59:60 → 00:00:00
# 或者: 23:59:59 → 00:00:00 (跳过闰秒)

问题2: 解析23:59:60​

# 标准库通常不支持60秒
from datetime import datetime

try:
    dt = datetime(1990, 12, 31, 23, 59, 60)
    # 大多数实现会抛出ValueError
except ValueError as e:
    print(f"Error: {e}")
    # 可能的解决方案：
    dt = datetime(1990, 12, 31, 23, 59, 59)
    # 或者：
    dt = datetime(1991, 1, 1, 0, 0, 0)

宽容的解析实现​

def parse_rfc3339_with_leap_seconds(timestamp_str):
    """
    宽容地解析RFC 3339时间戳，包括闰秒
    """
    # 检查是否包含闰秒
    if ':60' in timestamp_str:
        # 将60秒替换为59秒
        timestamp_str = timestamp_str.replace(':60', ':59')
        # 解析并添加1秒
        dt = datetime.fromisoformat(timestamp_str.replace('Z', '+00:00'))
        return dt + timedelta(seconds=1)
    else:
        return datetime.fromisoformat(timestamp_str.replace('Z', '+00:00'))

# 示例
ts1 = parse_rfc3339_with_leap_seconds("1990-12-31T23:59:60Z")
ts2 = parse_rfc3339_with_leap_seconds("1991-01-01T00:00:00Z")
print(ts1 == ts2)  # True (它们表示相同的时间点)

RFC 3339的闰秒规范​

语法要求​

time-second = 2DIGIT  ; 00-58, 00-59, 00-60 based on leap second rules
  • 秒值 可以 (MAY) 是60
  • 但仅在月末
  • 且必须是已公布的闰秒

验证示例​

# 已知的闰秒日期（需定期更新）
LEAP_SECONDS = {
    (1990, 12, 31),
    (1992, 6, 30),
    (1993, 6, 30),
    (1994, 6, 30),
    (1995, 12, 31),
    (1997, 6, 30),
    (1998, 12, 31),
    (2005, 12, 31),
    (2008, 12, 31),
    (2012, 6, 30),
    (2015, 6, 30),
    (2016, 12, 31),
    # 未来的闰秒需要添加
}

def is_valid_leap_second(year, month, day, hour, minute, second):
    """验证闰秒是否有效"""
    if second != 60:
        return True  # 不是闰秒，不需要特殊验证
    
    # 闰秒只能出现在23:59:60
    if hour != 23 or minute != 59:
        return False
    
    # 必须是月末
    if (month, day) not in [(6, 30), (12, 31)]:
        return False
    
    # 必须是已公布的闰秒日期
    return (year, month, day) in LEAP_SECONDS

获取最新闰秒信息​

IERS公告​

国际地球自转和参考系统服务 (IERS) 负责宣布闰秒：

官方网站: https://www.iers.org/
公告: Bulletin C

闰秒通常提前6个月宣布

NTP闰秒指示器​

NTP (Network Time Protocol) 服务器在闰秒前24小时设置闰秒指示器：

# NTP客户端可以查询闰秒指示器
import ntplib

c = ntplib.NTPClient()
response = c.request('pool.ntp.org')
leap_indicator = response.leap
# 0: 无警告
# 1: 最后一分钟有61秒（正闰秒）
# 2: 最后一分钟有59秒（负闰秒）
# 3: 闹钟状态（时钟未同步）

闰秒的争议和未来​

争议​

支持者:
- 保持UTC与太阳时同步
- 避免天文观测混乱

反对者:
- 造成技术系统问题
- 无法预测（需提前6个月公布）
- 许多系统实现不正确

可能的未来变化​

2022年决议:
国际电信联盟(ITU)投票决定在2035年或之后
停止闰秒的插入

可能的替代方案:
1. 每100年插入一次"闰小时"
2. 允许UTC与太阳时逐渐偏离
3. 重新定义UTC

实施建议​

1. 宽容地接受​

# 接受60秒，但转换为标准表示
def normalize_leap_second(dt_str):
    if ':60' in dt_str:
        # 将23:59:60转换为下一天的00:00:00
        # 或保留为23:59:59 + note
        pass

2. 使用UTC​

# 始终使用UTC进行内部存储
# 避免本地时区的复杂性
from datetime import timezone
dt = datetime.now(timezone.utc)

3. 测试边界情况​

# 测试闰秒的前后时刻
test_cases = [
    "1990-12-31T23:59:59Z",
    "1990-12-31T23:59:60Z",  # 闰秒
    "1991-01-01T00:00:00Z",
]

4. 监控IERS公告​

定期检查https://www.iers.org/ 获取闰秒公告。

关键要点: 闰秒是UTC时间系统的一个复杂特性。虽然RFC 3339语法上支持闰秒，但大多数系统实现会遇到困难。实现应宽容地处理闰秒，并保持与权威时间源（如NTP）的同步。

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