Las Estaciones
Las estaciones
Introducción
Una vez se tiene clara la idea de que el eje de la Tierra se encuentra fijo respecto del plano de la eclíptica y de las estrellas fijas del fondo, es fácil entender otros fenómenos fundamentales como por ejemplo las estaciones. Si alguien no tenía hasta ahora clara la influencia de la Astronomía en la vida cotidiana, pocos efectos influyen tanto en la vida, economía e incluso el curso de la historia como son las estaciones. Por tanto vale la pena detenerse un momento para estudiar sus causas.
La causa de las estaciones
Según se ha visto anteriormente, el eje de la Tierra tiene una inclinación de 23,45º con respecto al plano orbital terrestre. Por esta razón, la eclíptica se encuentra inclinada dicha cantidad con respecto al ecuador celeste. La consecuencia inmediata de ello es que el Sol, en su recorrido a lo largo de la eclíptica durante un año, a veces se sitúa sobre el ecuador celeste y a veces por debajo. La altura máxima que alcanzará el Sol en el cielo en cualquier punto de la Tierra dependerá de su latitud y de la época del año. Por ejemplo, para una latitud aproximada de 41ºN como es nuestro caso, sabemos que el ecuador celeste alcanza una altura sobre el horizonte en el sur (en su intersección con el meridiano) de 90º - 41º = 49º. Para una latitud de 41ºN, cuando el Sol se encuentra justamente sobre el ecuador celeste, entonces su altura máxima sobre el horizonte es precisamente de 49º. En el punto de máxima separación de la eclíptica por encima del ecuador celeste, el Sol se situará a 49º + 23.5º = 72,5º sobre el horizonte al pasar por el meridiano, mientras que al pasar por el punto más bajo de la eclíptica, su altura será tan sólo de 49º - 23,5º = 25,5º.
Nuestra experiencia nos indica que cuando el Sol pasa más alto sobre el horizonte el clima es más caluroso y la estación corresponde al verano, mientras que en los momentos en que el Sol pasa más bajo, las temperaturas son más frías y nos situamos en invierno. Así que en definitiva, la inclinación del eje de la Tierra es responsable de los cambios de altura del Sol sobre el horizonte y de la sucesión de situaciones climáticas que dan lugar a las estaciones.
De todos es sabido que las estaciones son cuatro: primavera, verano, otoño e invierno, correspondiéndose con las sucesivas alturas que va alcanzando el Sol sobre el horizonte en su movimiento anual a lo largo de la eclíptica.
Figura 1.
La Figura 1, izquierda, nos explica qué pasa a lo largo del año y representa a la Tierra en su órbita vista desde el norte, y recordar que todos los fenómenos que se detallan a continuación son debidos a que el eje de rotación terrestre posee una inclinación y orientación fija respecto del plano orbital. Cuando la Tierra se encuentra en la posición 1, su eje de rotación se encuentra completamente orientado hacia el Sol, por tanto éste alcanzará su máxima altura sobre el horizonte tal y como se representa en la figura de la derecha. El momento en que el Sol pasa por el punto más alejado del ecuador celeste sobre la eclíptica se le denomina solsticio de verano, y tiene lugar alrededor del 21 de junio. En el solsticio de verano se tiene el día más largo y la noche más corta del año.
Cuando la Tierra en el recorrido de su órbita alrededor del Sol alcanza el punto 2, el eje de rotación se encuentra completamente paralelo a la línea que separa el día de la noche. En esta situación, el Sol se sitúa directamente sobre el ecuador celeste (ver la figura de la derecha), el Sol sale exactamente por el este y se pone exactamente por el oeste, y las duraciones del día y de la noche son idénticas. Al cruce del ecuador celeste por el Sol se le denomina equinoccio, en este caso de otoño, acontece alrededor del 23 de septiembre, y marca el fin del verano.
Cuando la Tierra alcanza la posición 3 en su órbita alrededor del Sol, tenemos la situación opuesta a la 1. El Sol alcanza su mínima altura sobre el horizonte y la duración del día es la más corta del año mientras que la de la noche es la más larga. Cuando esto sucede, alrededor del 22 de diciembre, entonces se produce el solsticio de invierno, finaliza el otoño y entramos en la estación invernal, con los meses más fríos del año.
Finalmente, cuando la Tierra se encuentra en la posición 4, la situación es análoga a la 2: el eje terrestre se encuentra paralelo a la línea del día y de la noche, el Sol cruza el ecuador celeste y acontece el equinoccio de primavera, hacia el 21 de marzo, y la duración del día y de la noche es idéntica.
El mismo lector puede comprobar si ha entendido los conceptos fundamentales, imaginando cómo se ve el Sol y cuando se producen las estaciones en el hemisferio sur de la Tierra.
Los círculos notables
Vamos a ver que ocurre en distintos puntos de la Tierra durante el solsticio de verano, para ello estudiaremos la Figura 2.
Figura 2.
Durante el solsticio de verano, el eje de la Tierra (verde), se encuentra completamente dirigido hacia el Sol. Según la figura, que cualquier punto de la Tierra que se encuentre por encima del círculo P tendrá siempre al Sol por encima del horizonte, es decir, será de día durante las 24 horas. Dicho círculo se encuentra a una latitud de 66º,5N. Al círculo P se le denomina Círculo Polar Artico, e indica la latitud a partir de la cual durante el solsticio de verano el Sol no se pone en todo el día. Una vez pasado el solsticio, la latitud a partir de la cual no se pone el Sol se va retirando hacia el polo norte, hasta que llega el equinoccio de otoño. En ese momento el único punto desde el cual puede verse el Sol todo el día es el polo norte.
Durante el solsticio de verano, también puede verse en la Figura 1 que existe una región de la Tierra en el hemisferio sur delimitada por el círculo P’, a partir de la cual siempre es de noche. Al círculo P’ se le denomina Círculo Polar Antártico, se encuentra a una latitud de 66º,5S. A partir de este círculo polar y hasta el polo Sur, comprendiendo gran parte del continente antártico, nunca se hace de día durante el solsticio de verano. El lector puede comprobar que durante el solsticio de invierno la situación es justamente la contraria, es decir, que para puntos por encima del círculo polar ártico no sale el Sol durante todo el día, mientras que entre el círculo polar antártico y el polo sur no se pone el Sol.
Si a partir del círculo polar ártico nos vamos moviendo progresivamente hacia el sur también durante el solsticio de verano, el Sol cada vez cruzará el meridiano a más altura sobre el horizonte, hasta llegar al círculo marcado como T, en el cual el Sol se situará justamente en el cenit. Para cualquier punto de la Tierra situado a una latitud más alta que el círculo T, el Sol jamás alcanza el cenit, mientras que en T lo hace exacta y únicamente durante el solsticio de verano. A dicho círculo se le denomina Trópico de Cáncer, y se encuentra a una latitud de 23º,45N. El homólogo del Trópico de Cáncer en el hemisferio sur es el Trópico de Capricornio, indicado por la línea T’. A la latitud del Trópico de Capricornio, el Sol culmina en el cenit durante el solsticio de invierno.
Todos estos círculos delimitan las grandes áreas climáticas de la Tierra. La zona tropical es la franja comprendida entre los trópicos de Cáncer y Capricornio con el ecuador E en medio. Las regiones polares son las limitadas por los círculos polares, y las áreas denominadas templadas son las bandas situadas entre los trópicos y los círculos polares.
Cuestiones
He aquí algunas cuestiones para repasar conceptos.
1. Para un observador situado sobre el ecuador terrestre, ¿en qué momento pasa el Sol por el cenit, y cuántas veces al año?.
2. La capital de Bolivia, La Paz, se encuentra entre el Ecuador y el Trópico de Capricornio, ¿cuántas veces pasa el Sol por el cenit de La Paz a lo largo de un año?.
3. ¿Cómo varía la duración del día y de la noche en el transcurso del año en el ecuador?.
4. La ciudad de Murcia se encuentra casi exactamente a 38ºN de latitud. ¿A qué altura culmina el Sol sobre el horizonte durante el solsticio de verano?. ¿Y durante el de invierno?.
Y si has entendido el concepto de eclíptica...
5. ¿En qué punto de la Tierra la eclíptica puede coincidir con el horizonte y cuándo ocurre esto?
Los cambios estacionales del clima
Está claro que la altura máxima del Sol sobre el horizonte varía con el transcurso del año, y que ésta está directamente relacionada con los cambios estacionales del clima. Una de las razones principales por las que la temperatura varía tanto en las zonas templadas a lo largo de las estaciones (no tanto en las zonas polares y sobre todo en las tropicales), está en cómo la energía proveniente del Sol puede calentar de manera efectiva la superficie terrestre.
Figura 3.
Puesto que el Sol se encuentra a diferente altura sobre el horizonte, su radiación calienta la superficie con más o menos efectividad. Para un haz de energía solar (luz y otras radiaciones) con una sección de 1m2, cuando alcanza el suelo durante el solsticio de verano (ver la Figura 3) a una latitud de 40ºN, ésta se reparte sobre un área de 1,04m2, mientras que durante el solsticio de invierno lo hace sobre un área de 2,24m2. Es decir que durante el invierno 1m2 de superficie terrestre recibe menos de la mitad de la energía que recibe durante el verano, razón por la cual el ambiente resulta más frío.
¿Cómo son las estaciones en otros planetas?
El paso de las estaciones, sobre todo en las regiones templadas de la Tierra, supone la alternancia de una serie de cambios climatológicos y meteorológicos que forman parte del ciclo vital de muchos ecosistemas en nuestro planeta. La vida se ha adaptado perfectamente al paso de las estaciones y no supone ningún impedimento para el desarrollo de ésta. Sin embargo, ¿cómo serían las estaciones si el eje de rotación de la Tierra tuviese una inclinación distinta?. Curiosamente, planetas como Marte o Saturno, tienen sus ejes de rotación inclinados de manera semejante, 25,19º y 26,73º respectivamente. Pero Júpiter y Urano representan dos casos extremos. El gigante de los planetas tiene el eje inclinado 3,12º mientras que Urano lo tiene 97,86º.
Si puedes responder a las siguientes preguntas, es que has entendido perfectamente el fenómeno de las estaciones.
6. ¿A qué latitudes se encuentran los círculos polares y los trópicos en Júpiter y Urano?. El caso de Urano es ciertamente más complicado y requiere pensarlo detenidamente. Seguro que un esquema te ayudará. ¿Qué a ocurrido con los círculos polares y los trópicos?.
7. Imagina cómo sería el clima en la Tierra si el eje de rotación estuviese inclinado 0º y 90º. En el último caso discute si sería posible la vida en la Tierra.
