Semillero Modulo4 MovimientoDelSol v1

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

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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.

Última actualización: 02/12/11 - 1







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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).


http://www.cpraviles.com/materiales/letraespejo/html/ind1.html

http://www.cpraviles.com/materiales/letraespejo/html/ind1.html







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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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