Las estaciones

 

Mucha gente ha creído que las estaciones eran el resultado del cambio de distancia entre la Tierra y el Sol. A primera vista, parece razonable: debería hacer 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 al Sol varía sólo unos 3%. Eso no es suficiente para provocar variaciones significativas en el calentamiento del Sol. Para empeorar las cosas para los norteamericanos 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 determinante, ¿por qué los dos hemisferios tendrían estaciones opuestas? Como demostraremos, las estaciones se deben en realidad a la inclinación de 23,5° del eje de la Tierra.

Las estaciones y el sol
La figura 4.5 muestra la trayectoria anual de la Tierra alrededor del Sol, con el eje terrestre inclinado 23,5°. Obsérvese que nuestro eje sigue apuntando en la misma dirección en el cielo durante todo el año. A medida que la Tierra se desplaza alrededor del Sol, en junio el hemisferio norte se "inclina hacia" el Sol y recibe una iluminación más directa. 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 "lateralmente" -ni hacia el Sol ni alejándose de él-, por lo que los dos hemisferios se ven igualmente favorecidos por la luz solar.

 

 

El segundo efecto tiene que ver con el tiempo que el Sol pasa sobre el horizonte (figura 4.7). Aunque nunca hayas pensado en astronomía, seguro que has observado que las horas de luz aumentan en verano y disminuyen en invierno. Veamos por qué ocurre esto.

Como vimos en Observar el cielo: el nacimiento de la astronomía, una forma equivalente de ver nuestra trayectoria alrededor del Sol cada año es imaginar que el Sol se mueve alrededor de la Tierra (en un círculo llamado eclíptica). Dado que el eje de la Tierra está inclinado, la eclíptica está inclinada unos 23,5° con respecto al ecuador celeste (revisa la figura 2.7). En consecuencia, la posición del Sol en el cielo cambia a lo largo del año.

En junio, el Sol se encuentra al norte del ecuador celeste y pasa más tiempo con quienes viven en el hemisferio norte. Sale muy alto en el cielo y está sobre el horizonte en Estados Unidos hasta 15 horas. Así, el Sol no sólo nos calienta con más rayos directos, sino que también tiene más tiempo para hacerlo cada día. (Observe en la figura 4.7 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. En Chile, por ejemplo, junio es una época del año más fría y oscura). En diciembre, cuando el Sol está al sur del ecuador celeste, la situación se invierte.

También vemos en la Figura 4.8 que los rayos del Sol brillan alrededor del Polo Norte en el solsticio. Como la Tierra gira sobre su eje, el Polo Norte está continuamente iluminado por el Sol; todos los lugares situados a 23° del polo tienen sol durante 24 horas. En esta fecha, el Sol se encuentra lo más al norte que puede llegar; así, 90° - 23° (o 67° N) es la latitud más meridional en la que el Sol puede verse durante un periodo completo de 24 horas (a veces llamada la "tierra del Sol de medianoche"). Ese círculo de latitud se denomina Círculo Polar Ártico.

 

Muchas culturas primitivas programaban actos especiales en torno al solsticio de verano para celebrar los días más largos y agradecer a sus dioses que el clima fuera cálido. Esto requería que la gente siguiera la duración de los días y el recorrido del Sol hacia el norte para saber cuál era el día adecuado para la "fiesta". (Puedes hacer lo mismo observando durante varias semanas, desde el mismo punto de observación, por dónde sale o se pone el Sol en relación con un punto de referencia fijo. En primavera, el Sol saldrá cada vez más al norte del este, y se pondrá cada vez más al norte del oeste, alcanzando el máximo alrededor del solsticio de verano).

Observe ahora el Polo Sur en la figura 4.8. El 21 de junio, todos los lugares situados a 23° del Polo Sur -es decir, al sur de lo que llamamos el Círculo Polar Antártico- no ven el Sol en absoluto durante 24 horas.

 

EJEMPLO 4.1
Variaciones estacionales
Como puedes ver en la Figura 4.8, el Trópico de Cáncer es la latitud en la que el Sol está directamente sobre nosotros en el solsticio de verano. En ese momento, el Sol se encuentra a una declinación de 23° N del ecuador celeste, y la latitud correspondiente en la Tierra es de 23° N del ecuador. Si la Tierra estuviera un poco menos inclinada, el Trópico de Cáncer se encontraría a una latitud inferior, más cerca del ecuador.

El Círculo Polar Ártico marca la latitud más meridional para la que la duración del día es de 24 horas en el día del solsticio de verano. Está situado a 90° - 23° = 67° N del ecuador terrestre. Si la Tierra estuviera un poco menos inclinada, el Círculo Polar Ártico se desplazaría más al Norte. En el límite en el que la Tierra no está inclinada en absoluto (su eje es perpendicular a la eclíptica), el Trópico de Cáncer estaría justo en el ecuador terrestre, y el Círculo Polar Ártico sería simplemente el Polo Norte. Supongamos que la inclinación del eje de la Tierra fuera de sólo 5°. ¿Cuál sería el efecto sobre las estaciones y la ubicación del Trópico de Cáncer y el Círculo Polar Ártico?

Solución
Si la Tierra estuviera menos inclinada, las estaciones serían menos extremas. La variación de la duración del día y de la luz solar directa sería muy pequeña a lo largo de un año, y la trayectoria diaria del Sol en el cielo no variaría mucho. Si la Tierra estuviera inclinada 5°, la posición del Sol el día del solsticio de verano estaría 5° al N del ecuador celeste, por lo que el Trópico de Cáncer se encontraría a la latitud correspondiente en la Tierra de 5° al N del Ecuador. El Círculo Polar Ártico estaría situado a 90° - 5° = 85° N del Ecuador.

Compruebe su aprendizaje
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 sobre las estaciones en comparación con el producido por la inclinación real de 23°?

RESPUESTA:
El Trópico de Cáncer se encuentra a una latitud igual a la inclinación de la Tierra, por lo que en este caso estaría a 16° de latitud norte. El Círculo Polar Ártico se encuentra a una latitud igual a 90° menos la inclinación de la Tierra, es decir, 90° - 16° = 74°. La diferencia entre estas dos latitudes es 74° - 16° = 58°. Como la inclinación de la Tierra es menor, habría menos variación en la inclinación de la Tierra y menos variación en las trayectorias del Sol a lo largo del año, por lo que habría cambios estacionales más suaves.

EJEMPLO 4.2
La posición del Sol en el cielo
Las coordenadas del Sol en la esfera celeste oscilan entre una declinación de 23° al N del ecuador celeste (o +23°) y una declinación de 23° al S del ecuador celeste (o -23°). Así pues, la altitud del Sol al mediodía, cuando cruza el meridiano, varía un total de 46°. ¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de marzo, visto desde un lugar situado en el ecuador terrestre? ¿Cuál es su altitud el 21 de junio, visto desde un lugar situado en el ecuador terrestre?

Solución
En el ecuador de la Tierra,

Muchas culturas que se desarrollaron a cierta distancia al norte del ecuador tienen una celebración en torno al 21 de diciembre para ayudar a la gente a sobrellevar la deprimente falta de luz solar y las temperaturas, a menudo peligrosamente frías. Originalmente, solía ser un momento para acurrucarse con la familia y los amigos, para compartir las reservas de comida y bebida y para celebrar rituales en los que se pedía a los dioses que devolvieran la luz y el calor e invirtieran el ciclo de las estaciones. Muchas culturas construyeron elaborados dispositivos para anticipar cuándo llegaría el día más corto del año. Stonehenge, en Inglaterra, construido mucho antes de la invención de la escritura, es probablemente uno de ellos. En nuestra época, continuamos la tradición del solsticio de invierno con diversas celebraciones festivas en torno a esa fecha de diciembre.

A medio camino entre los solsticios, aproximadamente el 21 de marzo y el 21 de septiembre, el Sol se encuentra en el ecuador celeste. Desde la Tierra, aparece por encima del ecuador de nuestro planeta y no favorece a ninguno de los dos hemisferios. Cada lugar de la Tierra recibe entonces aproximadamente 12 horas de sol y 12 horas de noche. Los puntos en los que el Sol cruza el ecuador celeste se denominan equinoccios vernal (primavera) y otoñal (otoño).

Las estaciones en distintas latitudes
Los efectos estacionales son diferentes en las distintas latitudes de la Tierra. Cerca del ecuador, por ejemplo, todas las estaciones son prácticamente iguales. Todos los días del año, el Sol está arriba 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) más que por la cantidad de luz solar. A medida que viajamos hacia el norte o el sur, las estaciones se acentúan, hasta llegar a casos extremos en el Ártico y el Antártico.

En el Polo Norte, todos los objetos celestes que se encuentran al norte del ecuador celeste están siempre por encima del horizonte y, al girar la Tierra, dan vueltas paralelas a él. 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 llega al equinoccio de primavera 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.

el ecuador celeste pasa por el cenit. El 21 de marzo, el Sol está cruzando el ecuador celeste, por lo que debería encontrarse en el cenit (90°) a mediodía. El 21 de junio, el Sol se encuentra a 23° al N del ecuador celeste, por lo que se encontrará a 23° del cenit a mediodía. La altitud sobre el horizonte será 23° menor que la altitud del cenit (90°), por lo que se encontrará a 90° - 23° = 67° sobre el horizonte.

Compruebe su aprendizaje
¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de diciembre, visto desde un lugar situado 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 tendría una declinación de 23° N. La diferencia de declinación entre el cenit y la posición del Sol es de 46°, por lo que el Sol estaría a 46° del cenit. Esto significa que estaría a una altitud de 90° - 46° = 44°.

Aclaraciones sobre el mundo real
Hasta ahora, hemos descrito la salida y la puesta del Sol y de las estrellas tal y como se verían si la Tierra no tuviera atmósfera. En realidad, sin embargo, la atmósfera tiene el curioso efecto de permitirnos ver un poco "por encima del horizonte". Este efecto es el resultado de la refracción, la curvatura de la luz que atraviesa el aire o el agua, algo de lo que hablaremos 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 salir antes y ponerse más tarde de lo que lo haría si no hubiera atmósfera.

Además, la atmósfera dispersa la luz y proporciona cierta iluminación crepuscular incluso cuando el Sol está por debajo del horizonte. Los astrónomos definen el crepúsculo matutino como aquel que comienza cuando el Sol se encuentra a 18° por debajo del horizonte, y el crepúsculo vespertino se extiende hasta que el Sol se hunde más de 18° por debajo del horizonte.

Estos efectos atmosféricos requieren pequeñas correcciones en muchas de nuestras afirmaciones sobre las estaciones. En los equinoccios, por ejemplo, el Sol parece estar por encima del horizonte durante unos minutos más de 12 horas, y por debajo del horizonte durante menos de 12 horas. Estos efectos son más dramáticos en los polos de la Tierra, donde el Sol puede verse más de una semana antes de alcanzar el ecuador celeste.

Probablemente sepa que el solsticio de verano (21 de junio) no es el día más caluroso del año, aunque sí el más largo. Los meses más calurosos en el Hemisferio Norte son julio y agosto. Esto se debe a que en nuestro clima intervienen el aire y el agua que cubren la superficie de la Tierra, y estos grandes depósitos no se calientan instantáneamente. Por ejemplo, un estanque no se calienta en el momento en que sale el Sol, sino a última hora de la tarde, cuando ya ha tenido tiempo de absorber su calor. Del mismo modo, la Tierra se calienta cuando ha tenido tiempo de absorber la luz solar adicional que el Sol nos regala en verano. Y las épocas más frías del invierno son un mes o más después del solsticio de invierno.