El movimiento del Sol y la bóveda celeste

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1 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste El movimiento del Sol y la bóveda celeste Para leer en el Metro El Sol y la vida Uno de los pocos puntos sobre el cual los científicos actuales están de acuerdo con los de la antigüedad es que el Sol es la fuente de toda forma de vida sobre la Tierra. El continuo fluir de energía radiante que baña la superficie de nuestro planeta, y que proviene de aquél auténtico infierno termonuclear que es el Sol, ha permitido a la vida desarrollarse y prosperar. Los estudios más precisos sobre el Sol han revelado que nuestro astro rey no posee zonas verdaderamente sólidas. Aparece como una enorme bola de gas, en cuyo centro la presión gravitacional es tan alta como para hacer que el gas se convierta en semisólido. El Sol tiene una superficie amarilla luminosa, conocida como fotosfera, con una temperatura de unos 6000 ºC. Es una temperatura extremadamente alta, pero casi sin valor en comparación con las de su núcleo que, se estima, superaría los 15 millones de grados centígrados. Sobre la fotosfera existe una cobertura de gas de color rosado que tiene temperaturas que oscilan entre los y el millon de grados centígrados. Es conocida como cromosfera. La región del Sol más externa y extensa que se conoce es la corona, compuesta de vapores, filamentos y rayos de luz blanca. El gas que la alimenta está a unos dos millones de grados centígrados y, precisamente a causa de estas altísimas temperaturas, el gas ionizado de la corona (llamado plasma), es impulsado desde la superficie del Sol hacia el espacio. Estas partículas de la corona solar constituyen el viento solar, que llega hasta la Tierra. Las manchas solares, uno de los fenómenos más conocidos de nuestro astro, son probablemente vórtices de gas provocados por complicadas corrientes gaseosas del Sol. Cuando la actividad solar es muy intensa, se observan las llamadas protuberancias, lenguas luminosas que salen de la cromosfera, y las famosas erupciones. Existen muchas relaciones entre los fenómenos solares y la vida sobre la Tierra. Una relación evidente es la que hay entre actividad solar y crecimiento de las plantas. El espesor de los anillos de los árboles es mayor durante la época de máxima actividad del Sol. Uno de los fenómenos básicos en la evolución de los seres vivos sobre nuestro planeta es la fotosíntesis, proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biosfera terrestre procede de la fotosíntesis y, sin el Sol, esta sería imposible. Última actualización: 02/12/11 1

2 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Incluso se especula que la historia de la humanidad puede estar influenciada por ella. En 1789, el año de la Revolución Francesa, se tuvo el máximo de actividad solar. Tal vez fue sólo un caso, porque otros acontecimientos históricos importantes se produjeron en períodos de baja actividad. Las interrogantes aún existentes sobre nuestra estrella son muchas. La primera entre todas es la relativa a su vida: por cuanto tiempo continuará el Sol proporcionando a la Tierra la energía vital? El proceso vital del Sol es el mismo que proporciona la energía para una bomba H y el propio Sol es comparable a la explosión controlada de millones y millones de bombas de hidrógeno que estallan ininterrumpidamente. Sólo puede decirse una cosa: cuando este ciclo se interrumpa y el Sol se apague, habrán transcurrido miles de millones de años. Adaptado de: La bóveda celeste Dado que no se tiene ninguna percepción directa de las distancias de los astros, éstos se nos aparecen como si estuvieran fijos sobre la bóveda del cielo, limitada por el círculo del horizonte y de la cual nos sentimos el centro. Para establecer la posición de un astro en el cielo, los astrónomos lo imaginan proyectado sobre dicha esfera. No importa cuál sea la dimensión de esta esfera imaginaria por que es inmensamente grande comparada con las distancias terrestres. Tan grande que en cualquier parte de la superficie terrestre en que uno se halle siempre se puede considerar en el centro de esta esfera. Esto se expresa diciendo que la esfera celeste tiene un radio infinitamente grande. No perdamos de vista que la esfera celeste es un fenómeno óptico, pero a los astrónomos le viene muy bien para establecer sus sistemas de coordenadas. La sensación de que el cielo es realmente una esfera y que los astros se encuentran situados sobre ésta es tan fuerte, que la humanidad lo ha creído así durante muchos siglos hasta que el desarrollo de la ciencia y de la tecnología ha permitido medir las distancias que nos separan de los cuerpos celestes. La Bóveda celeste desde diferentes latitudes La forma en que apreciamos el movimiento de los cuerpos en la bóveda celeste es distinta si cambiamos de latitud. La latitud nos dice cuánto más hacia el Sur o hacia el Norte nos encontramos. Latitudes altas se refieren a lugares de la Tierra que están más alejados de la línea del ecuador tanto hacia el Sur como hacia el Norte, mientras latitudes bajas se refiere a lugares muy cercanos al ecuador. Dependiendo de la latitud observaremos a las estrellas y al Sol moviéndose a través del cielo de una determinada manera (Ver figura 1). Última actualización: 02/12/11 2

3 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Polo Norte El Ecuador Otra latitud Las estrellas siguen movimientos circulares paralelos al horizonte y no se ocultan. Las estrellas y el Sol se mueven sobre círculos perpendiculares al horizonte. Las estrellas y el Sol se mueven sobre círculos oblicuos repecto al horizonte. Fig 1. Movimiento de la Bóveda celeste desde diferentes latitudes. Última actualización: 02/12/11 3

4 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Si nos encontráramos en el Polo Norte o en el Polo Sur las estrellas se moverían siguiendo círculos paralelos al horizonte y no se ocultarían. Dedido al movimiento aparente del Sol en el cielo (ver sección Solsticios y Equinoccios), cerca a los polos el año tendría una sola noche de 6 meses y un solo día de 6 meses de duración. Sobre la línea del Ecuador las estrellas y el Sol seguirían círculos perpendiculares al horizonte y el círculo más grande sería el que va de Este a Oeste (ver segunda imagen a la derecha de la figura 1.) Sin embargo, la mayor parte de la personas viven en latitudes que no son las del Polo Norte ni las del Ecuador. Para estas personas las estrella y el Sol se moverán siguiendo círculos oblicuos al horizonte en un ángulo igual a la latitud del lugar en el que se encuentran; el círculo más grande no será necesariamente el que va de Este a Oeste (ver tercera imagen a la derecha de la figura 1.) Dónde está el Norte? Los hombres de la antigüedad observaron detalladamente el movimiento aparente del Sol sobre la bóveda celeste. Tanto la salida del Sol por un punto del horizonte como su desaparición por el opuesto permitió al hombre disponer de estos puntos como referencia de ubicación. De esto surge la palabra orientación que significa determinación del oriente. De allí se derivan dos puntos: Oriente, que es el lugar por donde sale el Sol, y proviene de oriri que significa nacer. Occidente, que es lugar por donde se pone el Sol, y proviene del vocablo occidere que significa caer. A partir de estos puntos se identifican zonas intermedias llamadas septentrional (o boreal) y meridional (o austral) quedando determinados los cuatro puntos cardinales: Este, Oeste, Norte y Sur. Estas cuatros direcciones conforman un sistema de referencia cartesiano para representar la orientación en un mapa o en la propia superficie terrestre. Si conocemos el Este, podemos saber dónde están los demás puntos cardinales como se muestra en la figura 2. Mirando al Este, el Norte se encuentra a la izquierda, el Sur a la derecha y el Oeste sobre las espaldas. Fig 2. Puntos cardinales. Si extiendes las manos mirando al Este, a tu derecha tendrás el Sur y a tu izquierda el Norte; sobre tus espaldas tendrás el Oeste. Última actualización: 02/12/11 4

5 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Solsticios y Equinoccios Pero encontrar el Este no es tan sencillo como parece porque el Sol no siempre sale por el mismo sitio. Además del movimiento diario de Oriente a Occidente que determina la duración del día y la noche, cada día el Sol se mueve un poco hacia el Norte o hacia el Sur respecto al día anterior. Este movimiento es aparente y se debe a que el eje de rotación de la Tierra está inclinado 23.5 respecto a su plano de movimiento alrededor del Sol (la eclíptica). El Sol sale por el Este y se oculta por el Oeste solo dos días al año. Aquellos días son tan importantes que les damos un nombre: los llamamos los equinoccios y ocurren aproximadamente el 21 de Marzo y el 21 de Septiembre (ver figura 3). En los equinoccios la duración del día es igual a la duración de la noche. En nuestra latitud no apreciamos demasiado esta diferencia por estar muy cerca al ecuador, pero en latitudes más altas, en algunas épocas del año, por ejemplo, a las 9 pm aún se ve como estuviera de día (ver figura 4). A partir del equinoccio de primavera (21 Marzo) el Sol inicia su recorrido hacia el Norte hasta llegar, tres meses después, a su punto más extremo el 21 de Julio (figura 3), que es otro día importante y lo llamamos solsticio de verano (verano en el hemisferio Norte). En el solsticio de verano se tiene en día más largo del año en dicho hemisferio (figura 4). Luego vuelve sobre sus pasos durante otros tres meses hasta el equinoccio de otoño (21 de septiembre) cuando sale otra vez exactamente por el Este, y sigue su camino hacia el Sur hasta que llega a su punto más extremo al Sur el 21 de Diciembre (solsticio de invierno). En el hemisferio Norte, en el solsticio de invierno, el día es el más corto del año y la noche la más larga de año. Las antiguas civilizaciones observaron el movimiento del Sol a través del Año y construyeron instrumentos, estatuas, emplazamientos y/o edificaciones que dan cuenta de estos días especiales de los solsticios y los equinoccios. Estas fechas coinciden con celebraciones que aún tenemos. Por ejemplo, la celebración de la natividad de Cristo el 25 de diciembre está muy cerca del solsticio de invierno el 21 de diciembre, mientras la pascua sigue cerca al equinoccio de primavera. La palabra solsticio significa Sol quieto y se refiere a que el Sol de detiene en su camino y luego regresa. Última actualización: 02/12/11 5

6 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Fig 3. El movimiento aparente del Sol sobre el horizonte del Este marca los puntos de los equinoccios y de los solsticios. Los solsticios ocurren a 23.5 respecto al Este para cada dirección Norte y Sur. Fig 4. Debido al movimiento del Sol de Norte Sur durante el año, unas veces sigue un círculo múy grande (muchas horas de luz, entonces día largo) y otras veces un círculo muy pequeño (pocas de horas de luz, entonces día corto) El Analema Has tenido la impresión de que algunas veces parece amanecer más temprano que otras? Por qué crees que ocurre? Si tomaras una fotografía del Sol a la misma hora cada día durante todo el año, verías que el Sol forma una figura parecida a un ocho llamada Analema (ver figura 5). La causa de este desplazamiento aparente del Sol está en el movimiento de la Tierra en su órbita, combinado con la inclinación de su eje de rotación. El Sol aparecerá en la parte superior del analema durante el verano y en la inferior durante el invierno. Los analemas creados en diferentes latitudes aparecerán ligeramente distintos, al igual que los analemas creados en distintos instantes de cada día. Pueden observarse analemas en otros planetas del Sistema Solar, pero poseen una forma diferente al observado en la Tierra, pudiendo llegar a ser curvas diferentes de un ocho (en Marte es muy similar a una gota de agua), aunque poseen como característica común ser siempre cerradas. El componente axial del analema muestra la declinación del Sol mientras que la componente transversal ofrece información acerca de la ecuación de tiempo (que es la diferencia entre el tiempo solar aparente y el tiempo solar medio) que es útil para construir relojes de Sol. Última actualización: 02/12/11 6

7 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Fig 5. Analema del Sol. El Sol aparecerá en la parte superior del analema durante el verano y en la inferior durante el invierno. Las estaciones Durante su viaje alrededor del Sol la Tierra describe una elipse llamada órbita. El cambio de las estaciones a lo largo del año se produce al darse la particularidad de que el eje de rotación de la Tierra se encuentra inclinado respecto del plano de la órbita unos 23.5, esto hace que los rayos del Sol incidan de forma diferente a lo largo del año en cada hemisferio. Debido a esta característica la Tierra pasa por cuatro momentos importantes durante su movimiento de traslación: En el Solsticio de Verano, 21 ó 22 de junio, el Hemisferio Norte se inclina hacia el Sol. Los días son más largos que las noches y los rayos del Sol inciden de forma más perpendicular, al situarse el Sol en la vertical del Trópico de Cáncer, iniciándose en este hemisferio la estación más calurosa, el verano. Sin embargo en el Hemisferio Sur se produce la situación contraria, iniciándose entonces el invierno. Última actualización: 02/12/11 7

8 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste En el Equinocio de Otoño, 22 ó 23 de septiembre, los días y las noches tienen igual duración en todo el planeta, al situarse el Sol en la vertical del Ecuador, comenzando el otoño en el Hemisferio Norte y la primavera en el Sur. En el Solsticio de Invierno, 22 ó 23 de diciembre, es el Hemisferio Norte el que tiene los días más cortos que las noches, a la vez que los rayos del Sol inciden de una forma más oblicua, al situarse el Sol en la vertical del Trópico de Capricornio, comenzando en este hemisferio la estación más fría, el invierno. En el Hemisferio Sur se produce la situación contraria, iniciándose entonces el verano. En el Equinocio de Primavera, 20 ó 21 de marzo, los días y las noches tienen igual duración en todo el planeta, al situarse de nuevo el Sol en la vertical del Ecuador, comenzando la primavera en el Hemisferio Norte y el otoño en el Hemisferio Sur. Última actualización: 02/12/11 8

9 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Manos a la obra El reloj de Sol Un reloj de Sol es un instrumento que permite conocer la hora local aproximada mediante la observación de la sombra que el Sol proyecta sobre una escala graduada. Los hay en variados diseños, pero el principio es igual para todos. Pero la hora civil (la que da tu reloj de mano) no es igual a la hora solar. Para saber la hora civil con un reloj de sol deberás usar la ecuación del Tiempo (ver gráfico al final de este módulo.) Qué necesitamos? Cartón paja, regla, transportador, lápiz, tijeras y pegante. Que hacer? Sigue las instrucciones que tu profesor dará en la segunda charla del día. Es tu turno Consulta Consulta con la ayuda de tus profesores, libros o Internet cómo se define y cómo puedes ubicar una estrella en el sistema de coordenadas ecuatoriales. Notas: Última actualización: 02/12/11 9

10 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Anexo Sistema de coordenadas celestes Fig 6. Circulos y puntos especiales en el Cielo para un observador en el hemisferio norte. En la bóveda celeste podemos dibujar círculos y puntos importantes que nos servirán para localizar estrellas en un sitio de observación determinado. Por un lado el horizonte, que divide la bóveda celeste en dos mitades, una mitad visible que es la que se sitúa por encima del horizonte, y otra invisible que es la que nos tapa la Tierra. Por otro lado, se tiene el ecuador celeste, que no es más que la proyección del ecuador de la Tierra sobre el cielo (Figura 6). Por otro lado está el cenit, que es el punto más alto del cielo y que todo observador tiene exactamente encima de él, y el nadir, que es el punto situado a nuestros pies en dirección diametralmente opuesta. PN es el polo Norte celeste alrededor del cual giran todas las estrellas, y PS es el polo sur celeste, que siempre queda oculto para cualquier observador del hemisferio norte (por encima del ecuador) Un aspecto muy importante que hay que comprender y que se desprende de la figura 6, es que debido al efecto de la rotación de la Tierra, todas las estrellas visibles siguen, en el cielo, trayectorias paralelas al ecuador celeste. Última actualización: 02/12/11 10

11 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Coordenadas Alta Azimutales Las coordenadas celestes son en general un instrumento imprescindible para poder situar cualquier objeto en el cielo. Es como buscar un accidente geográfico en un mapa. Podemos saber de antemano dónde se encuentra e ir a buscarlo directamente, pero si dicho accidente no tiene nombre o no aparece en el mapa, la única manera de situarlo es a través de sus coordenadas geográficas. El conocimiento de las coordenadas celestes es también imprescindible para entender como funciona un telescopio, y sobre todo para aprender a manejarlo correctamente. El sistema de coordenadas más intuitivo es el denominado sistema de coordenadas azimutal y que se explicará a partir de la figura 7. Fig 7. Sistema de coordenadas alta azimutales para un observador en el hemisferio sur. Las coordenadas acimutales utilizan como referencia el cenit y el horizonte y son muy intuitivas. En la figura 7 se representa en A una estrella sobre la bóveda celeste en el hemisferio Sur. A continuación podemos medir el ángulo que va desde el Norte moviéndose según las manecillas del reloj y pasando por el Este, el Sur y el Oeste hasta encontrar la estrella proyectada sobre el plano del horizonte. A dicho ángulo se le denomina acimut. Tal y como está definido, el acimut del Norte es 0, del Este es 90º, el del Sur es de 180º, y el del Oeste es de 270º. Para acabar de determinar la posición de la estrella A en el cielo medimos el ángulo que forma la estrella por el encima del horizonte, A este ángulo se le llama altura. Por ejemplo, la altura de cualquier estrella que esté en el horizonte es de 0º, y la del cenit es, evidentemente, de 90º. Como ya se ha mencionado en el párrafo anterior, se trata de un sistema de coordenadas muy intuitivo, pero tiene dos inconvenientes fundamentales. El primero es que la estrella se mueve en el cielo siguiendo una trayectoria oblicua como se ve en los círculos de la figura 6. Debido al movimiento aparente de la estrella en el cielo, al cabo de un cierto tiempo, la estrella cambiará sus coordenadas de Última actualización: 02/12/11 11

12 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste azimut y de altura. Pero no solamente esto, sino que además las coordenadas acimutales, como están ligadas al horizonte y al cenit del observador, también dependen de la posición de éste sobre la superficie de la Tierra. O en otras palabras, en un mismo instante de tiempo, las coordenadas acimutales de la Luna, por ejemplo, no serán las mismas dependiendo de si es observada desde Mexico o desde Medellín, ya que sabemos que la visión de la bóveda celeste no es la misma desde México que desde Medellín. Para evitar este problema, se recurre a las coordenadas ecuatoriales, que no son tan intuitivas, pero son siempre las mismas para cualquier punto fijo de la bóveda celeste sin importar el momento ni el lugar de observación. Última actualización: 02/12/11 12

13 El movimiento del Sol y la Bóveda celeste Última actualización: 02/12/11 13