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7/21/2019 Semillero Modulo4 MovimientoDelSol v1
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Instituto de Física – Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Antioquia
Semillero de Astronomí a
Módulo – El movimiento del Sol y la Bóveda celeste
Módulo
TAMU
Módulo 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 cientí ficos 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 energ í a 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, superarí a los 15 millones de grados centí grados. Sobre la fotosfera existe una
cobertura de gas de color rosado que tiene temperaturas que oscilan entre los 4.400 y el millon de
grados centí grados. Es conocida como cromosfera.
La región del Sol m
ás externa y extensa que se conoce es la corona, compuesta de vapores, filamentos yrayos de luz blanca. El gas que la alimenta está a unos dos millones de grados centí grados y,
precisamente a causa de estas altí simas temperaturas, el gas ionizado de la corona (llamado plasma), es
impulsado desde la superficie del Sol hacia el espacio. Estas partí culas 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 árboleses 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 fotosí ntesis,
proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas
bacterias, capturan energí a en forma de luz y la transforman en energí a quí mica. Prácticamente toda la
energí a que consume la vida de la biosfera terrestre procede de la fotosí ntesis y, sin el Sol, esta serí a
imposible.
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Incluso se especula que la historia de la humanidad puede estar influenciada por ella. En 1789, el añode la Revolución Francesa, se tuvo el máximo de actividad solar. Tal vez fue sólo un caso, porque otros
acontecimientos históricos importantes se produjeron en perí odos 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 energí a vital? El proceso
vital del Sol es el mismo que proporciona la energí a 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: http://www.astronomy.csdb.cn/astromia/astronomia/solyvida.htm
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 cí rculo 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 seexpresa 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 creí do así durante muchos siglos
hasta que el desarrollo de la ciencia y de la tecnologí a 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 sicambiamos 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 lí nea 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).
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Polo Norte
Las estrellas siguen movimientos circulares paralelos al
horizonte y no se ocultan.
El Ecuador Las estrellas y el Sol se mueven sobre cí rculos
perpendiculares al horizonte.
Otra latitud
Las estrellas y el Sol se mueven sobre cí rculos oblicuos
repecto al horizonte.
Fig 1. Movimiento de la Bóveda celeste desde diferentes latitudes.
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Si nos encontráramos en el Polo Norte o en el Polo Sur las estrellas se moverí an siguiendo cí rculos
paralelos al horizonte y no se ocultarí an. Dedido al movimiento aparente del Sol en el cielo (ver sección
Solsticios y Equinoccios), cerca a los polos el año tendrí a una sola noche de 6 meses y un solo dí a de 6
meses de duración. Sobre la lí nea del Ecuador las estrellas y el Sol seguirí an cí rculos perpendiculares al
horizonte y el cí rculo más grande serí a 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 cí rculos oblicuos al
horizonte en un ángulo igual a la latitud del lugar en el que se encuentran; el cí rculo 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 unmapa 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.
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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 dí a y la noche,
cada dí a el Sol se mueve un poco hacia el Norte o hacia el Sur respecto al dí a 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 eclí ptica).
El Sol sale por el Este y se oculta por el Oeste solo dos d í as al año. Aquellos dí as 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 dí a 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
dí a (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 dí a importante y lo
llamamos solsticio de verano (verano en el hemisferio Norte). En el solsticio de verano se tiene en dí a
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 deinvierno). En el hemisferio Norte, en el solsticio de invierno, el dí a 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 dí as 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.
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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 cí rculo múy grande (muchas horas
de luz, entonces dí a largo) y otras veces un cí rculo muy
pequeño (pocas de horas de luz, entonces dí a 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 fotograf í a del Sol a la misma hora cada dí a durante todo el año, verí as
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 dí a.
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 caracterí stica común ser siempre cerradas. El componente
axial del analema muestra la declinación del Sol mientras que la componente transversal ofrece
información acerca de la ecuaci
ón de tiempo (que es la diferencia entre el tiempo solar aparente y el
tiempo solar medio) que es útil para construir relojes de Sol.
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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 llamadaórbita. El cambio de lasestaciones 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 caracterí stica 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 dí as son
más largos que las noches y los rayos del Sol inciden de
forma más perpendicular, al situarse el Sol en la verticaldel 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.
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En el Equinocio de Otoño, 22 ó 23 de septiembre, los
dí as 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 dí as 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 frí a, 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 dí as
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.
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Manos a la obraEl 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 dí a.
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:
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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 cí rculos 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.
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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 cí rculos 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
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azimut y de altura. Pero no solamente esto, sino que además las coordenadas acimutales, como estánligadas 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 Medellí n, ya que sabemos que la visión de la bóveda celeste no es la misma desde México que
desde Medellí n. 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.
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