Muchas personas han creído que las estaciones fueron el resultado del cambio de distancia entre la Tierra y el Sol. Esto suena razonable al principio: debería ser más frío cuando la Tierra está más lejos del Sol. Pero los hechos no confirman esta hipótesis. Aunque la órbita de la Tierra alrededor del Sol es una elipse, su distancia desde el Sol varía solo en un 3%. Eso no es suficiente para causar variaciones significativas en el calentamiento del sol. Para empeorar las cosas para las personas en América del Norte que sostienen esta hipótesis, la Tierra está realmente más cerca del Sol en enero, cuando el hemisferio norte está en pleno invierno. Y si la distancia fuera el factor rector, ¿por qué los dos hemisferios tendrían estaciones opuestas? Como mostraremos, las estaciones en realidad son causadas por la inclinación de 23.5 ° del eje de la Tierra.
Las estaciones y el sol
En la siguiente imagen muestra la trayectoria anual de la Tierra alrededor del Sol, con el eje de la Tierra inclinado 23.5 °. Tenga en cuenta que nuestro eje continúa apuntando en la misma dirección en el cielo durante todo el año. A medida que la Tierra viaja alrededor del Sol, en junio el hemisferio norte "se inclina" hacia el Sol y se ilumina más directamente. En diciembre, la situación se invierte: el hemisferio sur se inclina hacia el Sol y el hemisferio norte se aleja. En septiembre y marzo, la Tierra se inclina "de lado", ni hacia el Sol ni lejos de él, por lo que los dos hemisferios son igualmente favorecidos por la luz solar.
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| Estaciones. Vemos la Tierra en diferentes estaciones mientras rodea al Sol. En junio, el hemisferio norte "se inclina" hacia el Sol, y los del norte experimentan el verano y tienen días más largos. En diciembre, durante el invierno en el hemisferio norte, el hemisferio sur "se inclina" hacia el Sol y se ilumina más directamente. En primavera y otoño, los dos hemisferios reciben porciones más iguales de luz solar. |
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| Los rayos del sol en verano e invierno. (a) En verano, el Sol aparece en lo alto del cielo y sus rayos golpean la Tierra más directamente, extendiéndose menos. (b) En invierno, el Sol está bajo en el cielo y sus rayos se extienden sobre un área mucho más amplia, volviéndose menos eficaz para calentar el suelo. |
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| El camino del sol en el cielo por diferentes estaciones. El 21 de junio, el Sol sale al norte del este y se pone al norte del oeste. Para los observadores en el hemisferio norte de la Tierra, el Sol pasa unas 15 horas sobre el horizonte en los Estados Unidos, lo que significa más horas de luz diurna. El 21 de diciembre, el Sol sale al sur del este y se pone al sur del oeste. Pasa 9 horas sobre el horizonte en los Estados Unidos, lo que significa menos horas de luz diurna y más horas de noche en las tierras del norte (y una gran necesidad de que las personas celebren celebraciones para animarse). El 21 de marzo y el 21 de septiembre, el Sol pasa la misma cantidad de tiempo por encima y por debajo del horizonte en ambos hemisferios. |
Una forma equivalente de mirar nuestro camino alrededor del Sol cada año es fingir que el Sol se mueve alrededor de la Tierra (en un círculo llamado eclíptica). Debido a que el eje de la Tierra está inclinado, la eclíptica está inclinada unos 23.5 ° con respecto al ecuador celeste. Como resultado, donde vemos que el Sol en el cielo cambia a medida que avanza el año.
En junio, el Sol está al norte del ecuador celeste y pasa más tiempo con quienes viven en el hemisferio norte. Se eleva alto en el cielo y está por encima del horizonte en los Estados Unidos por hasta 15 horas. Por lo tanto, el Sol no solo nos calienta con rayos más directos, sino que también tiene más tiempo para hacerlo cada día. (Observa en la imagen anterior que la ganancia del hemisferio norte es la pérdida del hemisferio sur. Allí el sol de junio está bajo en el cielo, lo que significa menos horas de luz del día. En Chile, por ejemplo, junio es una época más fría y oscura del año). En diciembre , cuando el Sol está al sur del ecuador celeste, la situación se invierte.
Veamos cómo se ve la iluminación del Sol en la Tierra en algunas fechas específicas del año, cuando estos efectos están al máximo. Alrededor del 21 de junio (la fecha en que los que vivimos en el hemisferio norte llamamos solsticio de verano o, a veces, el primer día de verano), el Sol brilla más directamente sobre el hemisferio norte de la Tierra. Aparece a unos 23 ° al norte del ecuador, y por lo tanto, en esa fecha, atraviesa el cenit de lugares en la Tierra que están a 23 ° N de latitud. La situación se muestra en detalle en la siguiente imagen. Para una persona a 23 ° N (cerca de Hawai, por ejemplo), el Sol está directamente arriba al mediodía. Esta latitud, donde el Sol puede aparecer en el cenit al mediodía del primer día del verano, se llama Trópico de Cáncer.
También vemos que los rayos del Sol brillan alrededor del Polo Norte en el solsticio. Cuando la Tierra gira sobre su eje, el Polo Norte está continuamente iluminado por el Sol; Todos los lugares dentro de los 23 ° del poste tienen luz solar durante 24 horas. El Sol está tan al norte en esta fecha como puede llegar; así, 90 ° - 23 ° (o 67 ° N) es la latitud más meridional donde se puede ver el Sol durante un período completo de 24 horas (a veces llamado la "tierra del Sol de medianoche"). Ese círculo de latitud se llama Círculo Polar Ártico.
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El 21 de junio, todos los lugares dentro de los 23 ° del Polo Sur, es decir, al sur de lo que llamamos el Círculo Antártico, no ven el Sol en absoluto durante 24 horas.
La situación se invierte 6 meses después, aproximadamente el 21 de diciembre (la fecha del solsticio de invierno, o el primer día de invierno en el hemisferio norte). Ahora es el Círculo Polar Ártico que tiene la noche de 24 horas y el Círculo Antártico que tiene el Sol de medianoche. En la latitud 23 ° S, llamado Trópico de Capricornio, el Sol atraviesa el cenit al mediodía. Los días son más largos en el hemisferio sur y más cortos en el norte. En los Estados Unidos y el sur de Europa, puede haber solo 9 o 10 horas de sol durante el día. Es invierno en el hemisferio norte y verano en el hemisferio sur.
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| Tierra el 21 de diciembre. Esta es la fecha del solsticio de invierno en el hemisferio norte. Ahora el Polo Norte está en la oscuridad durante 24 horas y el Polo Sur está iluminado. El Sol está en el cenit de los observadores en el Trópico de Capricornio y, por lo tanto, está bajo en el cielo para los residentes del hemisferio norte. |
Ejemplo: Variaciones estacionales
Como observaste en la imagen anterior, el Trópico de Cáncer es la latitud por la cual el Sol está directamente sobre el solsticio de verano. En este momento, el Sol está en una declinación de 23 ° N del ecuador celeste, y la latitud correspondiente en la Tierra es de 23 ° N del ecuador. Si la Tierra se inclinara un poco menos, entonces el Trópico de Cáncer estaría en una latitud más baja, más cerca del ecuador.
El Círculo Polar Ártico marca la latitud más meridional para la cual la duración del día es de 24 horas el día del solsticio de verano. Está ubicado a 90 ° - 23 ° = 67 ° N del ecuador de la Tierra. Si la Tierra se inclinara un poco menos, entonces el Círculo Polar Ártico se movería más al norte. En el límite en el que la Tierra no está inclinada (su eje es perpendicular a la eclíptica), el Trópico de Cáncer estaría justo en el ecuador de la Tierra, y el Círculo Polar Ártico sería simplemente el Polo Norte. Supongamos que la inclinación del eje de la Tierra se inclinó solo 5 °. ¿Cuál sería el efecto en las estaciones y las ubicaciones del Trópico de Cáncer y el Círculo Polar Ártico?
Solución
Si la Tierra se inclinara menos, las estaciones serían menos extremas. La variación en la duración del día y la luz solar directa sería muy pequeña en el transcurso de un año, y la trayectoria diaria del Sol en el cielo no variaría mucho. Si la Tierra se inclinara 5 °, la posición del Sol el día del solsticio de verano sería 5 ° N del ecuador celeste, por lo que el Trópico de Cáncer estaría en la latitud correspondiente en la Tierra de 5 ° N del Ecuador. El Círculo Polar Ártico estaría ubicado a 90° -5°=85° N del ecuador.
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Supongamos que la inclinación del eje de la Tierra fuera de 16 °. ¿Cuál sería, entonces, la diferencia de latitud entre el Círculo Polar Ártico y el Trópico de Cáncer? ¿Cuál sería el efecto en las estaciones en comparación con el producido por la inclinación real de 23 °?
Respuesta
El Trópico de Cáncer está a una latitud igual a la inclinación de la Tierra, por lo que en este caso, estaría a 16 ° N de latitud. El Círculo Polar Ártico está a una latitud igual a 90 ° menos la inclinación de la Tierra, o 90 ° - 16 ° = 74 °. La diferencia entre estas dos latitudes es 74 ° - 16 ° = 58 °. Dado que la inclinación de la Tierra es menor, habría menos variación en la inclinación de la Tierra y menos variación en los caminos del Sol durante todo el año, por lo que habría cambios estacionales más leves.
Muchas culturas que se desarrollaron a cierta distancia al norte del ecuador tienen una celebración alrededor del 21 de diciembre para ayudar a las personas a lidiar con la deprimente falta de luz solar y las temperaturas a menudo peligrosamente frías. Originalmente, este era a menudo un momento para acurrucarse con familiares y amigos, para compartir las reservas de comida y bebida, y para rituales pidiendo a los dioses que devolvieran la luz y el calor y cambiaran el ciclo de las estaciones. Muchas culturas construyeron dispositivos elaborados para anticipar cuándo se acerca el día más corto del año. Stonehenge en Inglaterra, construido mucho antes de la invención de la escritura, es probablemente uno de esos dispositivos. En nuestro propio tiempo, continuamos la tradición del solsticio de invierno con varias celebraciones navideñas alrededor de esa fecha de diciembre.
A medio camino entre los solsticios, aproximadamente el 21 de marzo y el 21 de septiembre, el Sol está en el ecuador celeste. Desde la Tierra, aparece sobre el ecuador de nuestro planeta y no favorece a ningún hemisferio. Cada lugar en la Tierra recibe aproximadamente 12 horas de sol y 12 horas de noche. Los puntos donde el Sol cruza el ecuador celestial se llaman equinoccios vernales (primavera) y otoñales (otoño).
Las estaciones en diferentes latitudes
Los efectos estacionales son diferentes en diferentes latitudes en la Tierra. Cerca del ecuador, por ejemplo, todas las estaciones son muy parecidas. Todos los días del año, el sol sale la mitad del tiempo, por lo que hay aproximadamente 12 horas de sol y 12 horas de noche. Los residentes locales definen las estaciones por la cantidad de lluvia (estación húmeda y estación seca) en lugar de por la cantidad de luz solar. A medida que viajamos hacia el norte o hacia el sur, las estaciones se vuelven más pronunciadas, hasta llegar a casos extremos en el Ártico y la Antártida.
En el Polo Norte, todos los objetos celestes que están al norte del ecuador celeste siempre están por encima del horizonte y, a medida que la Tierra gira, dan vueltas paralelas. El Sol está al norte del ecuador celeste desde aproximadamente el 21 de marzo hasta el 21 de septiembre, por lo que en el Polo Norte, el Sol sale cuando alcanza el equinoccio vernal y se pone cuando llega al equinoccio de otoño. Cada año hay 6 meses de sol en cada polo, seguidos de 6 meses de oscuridad.
Ejemplo: La posición del sol en el cielo
Las coordenadas del Sol en la esfera celeste varían desde una declinación de 23 ° N del ecuador celeste (o + 23 °) hasta una declinación de 23 ° S del ecuador celeste (o –23 °). Entonces, la altitud del Sol al mediodía, cuando cruza el meridiano, varía en un total de 46 °. ¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de marzo, como se ve desde un lugar en el ecuador de la Tierra? ¿Cuál es su altitud el 21 de junio, como se ve desde un lugar en el ecuador de la Tierra?
Solución
En el ecuador de la Tierra, el ecuador celestial atraviesa el cenit. El 21 de marzo, el Sol cruza el ecuador celeste, por lo que debe encontrarse en el cenit (90 °) al mediodía. El 21 de junio, el Sol está a 23 ° N del ecuador celeste, por lo que estará a 23 ° del cenit al mediodía. La altitud sobre el horizonte será 23 ° menor que la altitud del cenit (90 °), por lo que es 90 ° - 23 ° = 67 ° sobre el horizonte.
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¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de diciembre, visto desde un lugar en el Trópico de Cáncer?
Respuesta
El día del solsticio de invierno, el Sol se encuentra a unos 23 ° S del ecuador celeste. Desde el Trópico de Cáncer, una latitud de 23 ° N, el cenit sería una declinación de 23 ° N. La diferencia en la declinación entre el cenit y la posición del Sol es 46 °, por lo que el Sol estaría a 46 ° del cenit. Eso significa que estaría a una altitud de 90 ° - 46 ° = 44 °.
Aclaraciones sobre el mundo real
En nuestras discusiones hasta ahora, hemos estado describiendo la salida y la puesta del Sol y las estrellas tal como aparecerían si la Tierra tuviera poca o ninguna atmósfera. En realidad, sin embargo, la atmósfera tiene el curioso efecto de permitirnos ver un poco "en el horizonte". Este efecto es el resultado de la refracción, la curvatura de la luz que pasa a través del aire o el agua, algo que discutiremos en Instrumentos Astronómicos. Debido a esta refracción atmosférica (y al hecho de que el Sol no es un punto de luz sino un disco), el Sol parece levantarse antes y ponerse más tarde de lo que lo haría si no hubiera una atmósfera presente.
Además, la atmósfera dispersa la luz y proporciona algo de iluminación crepuscular incluso cuando el Sol está debajo del horizonte. Los astrónomos definen el crepúsculo de la mañana como el comienzo cuando el Sol está 18 ° debajo del horizonte, y el crepúsculo vespertino se extiende hasta que el Sol se hunde más de 18 ° debajo del horizonte.
Estos efectos atmosféricos requieren pequeñas correcciones en muchas de nuestras declaraciones sobre las estaciones. En los equinoccios, por ejemplo, el Sol parece estar sobre el horizonte durante unos minutos más de 12 horas, y debajo del horizonte durante menos de 12 horas. Estos efectos son más dramáticos en los polos de la Tierra, donde el Sol en realidad se puede ver más de una semana antes de llegar al ecuador celeste.
Probablemente sepa que el solsticio de verano (21 de junio) no es el día más cálido del año, incluso si es el más largo. Los meses más calurosos del hemisferio norte son julio y agosto. Esto se debe a que nuestro clima involucra el aire y el agua que cubren la superficie de la Tierra, y estos grandes depósitos no se calientan instantáneamente. Probablemente hayas observado este efecto por ti mismo; Por ejemplo, un estanque no se calienta en el momento en que sale el Sol, pero hace más calor a última hora de la tarde, después de que ha tenido tiempo de absorber el calor del Sol. Del mismo modo, la Tierra se calienta después de haber tenido la oportunidad de absorber la luz solar adicional que es el regalo de verano del Sol para nosotros. Y los momentos más fríos del invierno son un mes o más después del solsticio de invierno.
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