El Sol y sus movimientos aparentes: el día, el año y las estaciones

A lo largo de la historia, diferentes sociedades han construido su experiencia del transcurso del tiempo observando determinadas regularidades o ciclos culturalmente importantes, presentes en el entorno físico. En otras palabras, muchas sociedades han seleccionado algunas regularidades advertidas en el espacio celeste y las han correlacionado con otros ciclos terrestres o culturales, para construir su experiencia del tiempo. Estas selecciones de regularidades ocurren de acuerdo con los requerimientos de cada sistema productivo y a la cosmovisión de la sociedad en cuestión.

En este sentido, la sociedad occidental históricamente ha observado regularidades en el movimiento del Sol y las ha correlacionado con ciclos climáticos, biológicos y culturales, para construir calendarios y ciclos temporales como el día, el año y las estaciones.

El Sol desde la Tierra

¿Qué tiene para decirnos la ciencia acerca de estas regularidades en los movimientos observados del Sol?

Primero, producto de la rotación terrestre, todo el cielo parece moverse hora tras hora. Por este fenómeno percibimos durante el día que el Sol se mueve describiendo un arco que va desde la región oriental del cielo hacia la occidental alcanzando una altura máxima sobre el horizonte en el meridiano del lugar.

El siguiente montaje fotográfico muestra el arco descrito por el Sol en el cielo en su movimiento aparente diario, observado desde una latitud intermedia entre un polo y el Ecuador:

Es interesante aclarar que las fotografías fueron tomadas en el transcurso del día 21 de diciembre de 2005 desde el hemisferio norte, más precisamente desde Santa Severa, Italia. Por ello, aquí el Sol sale a la izquierda, se pone a la derecha y el punto cardinal Sur está sobre el horizonte a mitad de camino entre el punto de salida y de puesta. Fuente: https://apod.nasa.gov/apod/ap141221.html

El recorrido anual del Sol

Ahora bien, por otro lado, cabe preguntarse si la altura máxima alcanzada durante el día por el Sol es siempre la misma. O, dicho de otra manera, ¿a que conclusión llegaríamos si, de alguna forma, medimos la altura máxima que día a día alcanza el Sol, por ejemplo, desde Córdoba?

Para medir la altura alcanzada por el Sol durante el mediodía, todos los días del año, podríamos utilizar por ejemplo un instrumento que aquí proponemos construir y que llamamos Plinto de Ptolomeo móvil. Se trata de la versión móvil del Plinto o Zócalo descrito alrededor del año 150 d.C. por el astrónomo griego Claudio Ptolomeo en su obra Almagesto. A diferencia de nuestra versión, el instrumento de Ptolomeo era fijo y estaba diseñado para ser orientado de acuerdo al meridiano del lugar permitiendo así medir alturas del Sol al mediodía a lo largo del año.

Pero antes de armar nuestro interesante instrumento, tenemos que tener en claro algunas cuestiones relacionadas a los sistemas de posiciones o coordenadas que se utilizan en astronomía.

Existen varios sistemas de coordenadas celestes para localizar un objeto en el cielo, en particular, el más intuitivo y sencillo es el sistema de coordenadas horizontal que utiliza dos ángulos, el acimut y la altura. Pero, ¿por qué ángulos? Si pensamos al cielo como una esfera celeste, y al horizonte como un círculo máximo de referencia sobre esa gran esfera, podremos definir un sistema con el cual medir coordenadas que sirvan de referencia para localizar cualquier objeto celeste desde el lugar que estemos observando. La altura y acimut de un astro son coordenadas horizontales y son ángulos determinados, como lo muestra el siguiente esquema:

 

Instrumentos como el Plinto de Ptolomeo móvil, el teodolito o el cuadrante permiten medir las coordenadas horizontales de cualquier astro, para algún momento determinado del día o de la noche.

Así, por ejemplo, la altura del Sol resultaría el ángulo comprendido entre el plano del horizonte y el Sol. Vale 0° si el Sol está sobre el horizonte (si está saliendo o se está poniendo), y 90° si está en el cénit (el punto que se encuentra sobre nuestras cabezas). El acimut del Sol es el ángulo (cuyo valor varía entre 0° y 360°), medido sobre el horizonte, comprendido entre el punto cardinal Norte o Sur y la intersección del horizonte con un círculo vertical trazado en el cielo que pasa por el Sol. Existen dos formas convencionales de medir el acimut de un objeto. En el ámbito académico del hemisferio norte, este ángulo se mide desde el punto cardinal Norte hacia el Este. Pero en el contexto académico de nuestras latitudes, el ángulo correspondiente al acimut se mide desde el punto cardinal Sur hacia el Oeste. Siguiendo esta convención, hemos diseñado nuestro Plinto móvil disponiendo como 0 de la escala de acimutes al punto cardinal Sur.

Para recapitular, entonces, si midieramos con el Plinto móvil la altura alcanzada por el Sol respecto del horizonte todos los mediodías a lo largo del año, llegaríamos a la conclusión de que esta varía, alcanzando diferentes valores que dependen de la época del año en la que nos encontremos.

Así, también, podríamos utilizar un Plinto móvil para determinar el acimut del Sol al salir por el horizonte día a día. Pero, ¿qué registraríamos? ¿El Sol sale y se pone siempre en el mismo lugar? ¿Dónde? A lo largo del año, el lugar en el horizonte de donde sale el Sol (y se pone) va variando: más hacia el sur en diciembre, más hacia el norte en junio. Las posiciones extremas del Sol, al sur y al norte, ocurren respectivamente el 21 de diciembre y el 21 de junio. Estas dos fechas clave se llaman solsticios porque parece que el Sol estuviera estacionario (“-sticio”) por varios días.

Pero, ¿no es que el Sol siempre sale por el Este? El Sol sale por el punto cardinal Este solamente en los equinoccios, los que comúnmente se dan el 21 de marzo y el 21 de septiembre. A esas dos fechas las llamamos equinoccios porque son los dos momentos en que la duración del día y de la noche son iguales. A diferencia de los solsticios, cerca de los equinoccios, el Sol cambia mucho de posición en el cielo de un día para el otro (Rosenvasser, 2004).

Observando estos ciclos en el movimiento aparente anual del Sol, los astrónomos han definido el año, o año trópico, siendo este el lapso entre dos solsticios de junio (o de diciembre) sucesivos, o dos equinoccios de marzo (o septiembre) sucesivos, aproximadamente 365 días, 5 horas 48 minutos 45,10 segundos (Díaz-Giménez y Zandivarez, 2014).

La figura ilustra las posiciones del Sol sobre el horizonte en el solsticio de verano e invierno para un observador en el hemisferio sur. Para otro en el hemisferio norte los solsticios se llamarán al revés. Fuente: Zandanel (2009).

Entonces, durante el año, el Sol observado desde cualquier punto del planeta, como puede ser desde Córdoba, va variando su altura máxima respecto del horizonte y también el lugar sobre el horizonte desde el cual sale o se pone, lo que podemos cuantificar midiendo su acimut de salida. ¿Cuál es la causa de este movimiento aparente anual del Sol? ¿Qué tiene para decirnos la astronomía al respecto?

Por un lado, sabemos que el movimiento aparente diario del Sol es consecuencia, como vimos, de la rotación terrestre. Entonces, podríamos suponer que, detrás de ese movimiento anual de bamboleo del Sol en el cielo hay otro movimiento de la Tierra. Pero, ¿cuál? El movimiento de traslación anual de la Tierra entorno al Sol no alcanzaría para explicar lo observado. 

La respuesta está en la combinación del movimiento de traslación y la inclinación que el eje de rotación terrestre posee respecto al plano de la órbita de la Tierra. Sabemos que esta inclinación se mantiene constante durante el movimiento de nuestro planeta en torno al Sol, siendo de aproximadamente 23,5°.

 

Por lo tanto, esta inclinación en el movimiento de rotación de la Tierra respecto de su plano orbital genera que un observador, en cualquier punto del planeta, vea que el Sol durante el año vaya variando su altura máxima respecto del horizonte. Y, también, que cualquier observador situado en latitudes intermedias a los polos, vea que el Sol vaya adquiriendo posiciones extremas, como los solsticios y equinoccios. O, lo que es lo mismo, que vea variar, a lo largo del año, el lugar sobre el horizonte desde el cual el Sol sale o se pone (Díaz-Giménez y Zandivarez, 2014).

Podemos pensar al cielo como un gran cascarón esférico sobre el cual están fijas las estrellas pero el Sol se mueve a lo largo del día y del año. Entonces, podemos reconocer la trayectoria del Sol o los arcos que describe en diferentes momentos del año, como los solsticios y equinoccios (ver imagen inferior).

 

Ecuador celeste. Cenit. Trópico de Capricornio. Trópico de Cáncer. Polo Sur. celeste. -23º 27’ Equinoccios. 23º 27’ N. S. W. E.  Solsticio de invierno. Solsticio de verano.

 

Plinto de Ptolomeo móvil para armar

Ya estamos prestos de poder armar nuestro Plinto móvil el cual, con algunas modificaciones, ha sido reelaborado a partir de un diseño del Prof. Armando Zandanel (quién es profesor de matemática y física del Instituto Superior de Formación Docente N° 6 de Chivilcoy, prov. de Buenos Aires), a quien le agradecemos por su desinteresada colaboración (Zandanel, 2009).

Según mencionamos antes, este instrumento nos permitirá medir (en grados) los acimutes y alturas del Sol a lo largo de un día; los acimutes de salida o puesta en diferentes días del año; o la altura del Sol al mediodía en diversos momentos del año.

Como podemos ver en las plantillas para recortar y armar que se adjuntan aquí abajo, el Plinto de Ptolomeo móvil consta de tres partes.

Por un lado, tenemos un disco acimutal, que cuenta con una escala graduada de 0 a 360° y que tiene grabado los puntos cardinales. Este disco será la parte fija del instrumento y siempre debe ir en posición horizontal y orientado de acuerdo a los puntos cardinales. En este sentido, para orientar este disco, podemos usar una brújula de modo tal que el Norte allí señalado nos sirva de referencia para posicionar esta parte del instrumento.

Para poder leer los acimutes del Sol, contamos también con una pequeña parte móvil que sirve para señalar  su posición una vez que lo estemos observando. Este puntero se podrá mover sobre el disco, y una vez que coincida con la dirección al Sol, podremos leer sobre la escala el ángulo de acimut para ese instante.

Por último, tenemos para sumar otra parte móvil. Se trata de una especie de cuadrante que nos servirá para medir los ángulos de altura del Sol respecto al horizonte desde donde estemos observando. Cuenta con una escala graduada de 0 a 90°, en la cual encontraremos marcadas las alturas del Sol alcanzadas en los mediodías (o cuando el Sol está en el meridiano) correspondientes a los solsticios y equinoccios observados desde Córdoba capital. Además, podremos incorporar una aguja o estilete, la cual, colocada perpendicularmente a este plano vertical, proyectará una línea de sobra sobre la escala de alturas (ver video compartido en la cuenta de Facebook e Instagram de la Plaza).

Esta parte vertical del instrumento podrá también moverse sobre el disco acimutal, o sea, rotando perpendicularmente a la escala de acimutes. Una vez que orientemos esta escala vertical hacia el Sol, podremos medir su altura midiendo el ángulo que se subtiende desde el horizonte (0 de la escala) hasta una línea trazada por la sombra que proyecta la aguja o estilete sobre la escala. Cabe aclarar que siempre registraremos alturas para el Sol dentro de la zona delimitada por las máximas alturas correspondientes al mediodía en los solsticios.

Atención, una forma de saber que estamos posicionando esta parte móvil acertadamente en dirección al Sol pero sin recurrir a observarlo directamente; es tratar de que la misma no proyecte sombra tanto de un lado como del otro del instrumento.

👉🏻 Descargá el Plinto de Ptolomeo (para imprimir)

Una vez recortado y armado nuestro Plinto móvil siguiendo las instrucciones que pueden encontrar en el correspondiente vídeo compartido en la cuenta de Facebook e Instagram de la Plaza; ya estaremos en condiciones de salir cada día (si el tiempo lo permite) a medir y registrar la altura y acimut del Sol, para así dar cuenta de sus movimientos observados a lo largo del año y del día. ¡Éxitos!

Fuentes:

-Díaz Giménez, E. y Zandivarez, A. (2014). ¿Cuánto sabés sobre el universo? Apuntes básicos sobre Astronomía. Córdoba: Observatorio Astronómico de Córdoba – Universidad Nacional de Córdoba.

-Rosenvasser Feher, E. (2004). Cielito lindo. Astronomía a simple vista. Buenos Aires: Siglo XXI Editores.

-Zandanel, A. E. (2009). Astronomía construida. Recursos para aprender o enseñar sobre Astronomía. Chivilcoy: GraFer.