4.2: Las estaciones

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Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

Describir cómo la inclinación del eje de la Tierra causa las estaciones
Explicar cómo las diferencias estacionales en la Tierra varían con la latitud

Uno de los hechos fundamentales de la vida en las latitudes medias de la Tierra, donde vive la mayoría de los lectores de este libro, es que hay variaciones significativas en el calor que recibimos del Sol durante el transcurso del año. Así dividimos el año en estaciones, cada una con su diferente cantidad de luz solar. La diferencia entre estaciones se hace más pronunciada cuanto más al norte o al sur del ecuador viajemos, y las estaciones en el hemisferio sur son lo opuesto a lo que encontramos en la mitad norte de la Tierra. Con estos hechos observados en mente, preguntemos qué causa las estaciones.

Mucha gente ha creído que las estaciones fueron el resultado de la distancia cambiante entre la Tierra y el Sol. Esto suena razonable al principio: debería ser más frío cuando la Tierra está más lejos del Sol. Pero los hechos no corroboran esta hipótesis. Si bien la órbita de la Tierra alrededor del Sol es una elipse, su distancia con respecto al Sol varía solo en alrededor del 3%. Eso no es suficiente para provocar variaciones significativas en el calentamiento del Sol. Para empeorar las cosas para las personas en América del Norte que sostienen esta hipótesis, la Tierra está en realidad más cerca del Sol en enero, cuando el hemisferio norte está en pleno invierno. Y si la distancia fuera el factor gobernante, ¿por qué los dos hemisferios tendrían estaciones opuestas? Como mostraremos, las estaciones son en realidad causadas por la inclinación de 23.5° del eje de la Tierra.

Las estaciones y el sol

La figura\(\PageIndex{1}\) muestra la trayectoria anual de la Tierra alrededor del Sol, con el eje de la Tierra inclinado 23.5°. Obsérvese que nuestro eje sigue apuntando la misma dirección en el cielo durante todo el año. A medida que la Tierra viaja alrededor del Sol, en junio el hemisferio norte “se inclina” hacia el Sol y se ilumina más directamente. En diciembre, la situación se invierte: el hemisferio sur se inclina hacia el Sol, y el hemisferio norte se inclina hacia el lado. En septiembre y marzo, la Tierra se inclina “de lado” —ni hacia el Sol ni lejos de él— por lo que los dos hemisferios son igualmente favorecidos con el sol.

alt — Figura\(\PageIndex{1}\) Temporadas. Vemos a la Tierra en diferentes estaciones al rodear el Sol. En junio, el hemisferio norte “se inclina” hacia el Sol, y los del Norte experimentan el verano y tienen días más largos. En diciembre, durante el invierno en el hemisferio norte, el hemisferio sur “se inclina” hacia el Sol y se ilumina más directamente. En primavera y otoño, los dos hemisferios reciben más partes iguales de luz solar. ¹

¿Cómo se traduce el hecho de que el Sol favorece a un hemisferio en hacerlo más cálido para nosotros abajo en la superficie de la Tierra? Hay dos efectos que debemos considerar. Cuando nos inclinamos hacia el Sol, la luz solar nos golpea en un ángulo más directo y es más efectiva para calentar la superficie de la Tierra (Figura\(\PageIndex{2}\)). Se puede obtener un efecto similar al hacer brillar una linterna sobre una pared. Si haces brillar la linterna directamente, obtienes un intenso punto de luz en la pared. Pero si sostienes la linterna en ángulo (si la pared “se inclina” del haz), entonces el punto de luz está más extendido. Al igual que la luz directa, la luz solar en junio es más directa e intensa en el hemisferio norte, y por lo tanto más efectiva en el calentamiento.

Figura\(\PageIndex{2}\) Los rayos del sol en verano e invierno. (a) En verano, el Sol aparece alto en el cielo y sus rayos golpean la Tierra más directamente, extendiéndose menos. (b) En invierno, el Sol está bajo en el cielo y sus rayos se extienden sobre un área mucho más amplia, volviéndose menos efectivos para calentar el suelo.

El segundo efecto tiene que ver con el tiempo que el Sol pasa por encima del horizonte (Figura\(\PageIndex{3}\)). Aunque nunca antes habías pensado en astronomía, estamos seguros de que has observado que las horas de luz aumentan en verano y disminuyen en invierno. Veamos por qué sucede esto.

El camino del sol en el cielo para diferentes estaciones. En cada una de estas tres ilustraciones, una elipse beige representa el suelo y el horizonte de un observador parado en el centro, y está rodeada por una esfera semitransparente que representa el cielo. El norte está a la izquierda, y el oeste está en la parte inferior de la elipse del horizonte. Una línea amarilla, etiquetada como “Polo Celestial Norte”, se dibuja desde los pies del observador hacia la parte superior izquierda. Una elipse discontinua amarilla, etiquetada como “Ecuador celestial”, se dibuja en la esfera del cielo para que toque el horizonte en los puntos etiquetados “W” (oeste) y “E” (este) y se inclina para ser perpendicular al polo celeste. La ilustración más a la izquierda muestra el “Camino del Sol 21 de junio”, indicado por una tenue elipse amarilla. El Sol sale y se pone por encima del ecuador celeste. La ilustración central muestra el “camino del Sol 21 de marzo y 21 de septiembre”. El Sol sale y se pone a lo largo del ecuador celeste. Finalmente, la ilustración más a la derecha muestra el “Sendero del Sol 21 de diciembre”, indicado por una tenue elipse amarilla. El Sol sale y se pone por debajo del ecuador celeste. — Figura\(\PageIndex{3}\) El camino del sol en el cielo para diferentes estaciones. El 21 de junio, el Sol sale al norte del este y se pone al norte de poniente. Para los observadores en el hemisferio norte de la Tierra, el Sol pasa unas 15 horas sobre el horizonte en Estados Unidos, es decir, más horas de luz diurna. El 21 de diciembre, el Sol sale al sur de este y se pone al sur de poniente. Pasa 9 horas sobre el horizonte en Estados Unidos, lo que significa menos horas de luz y más horas de noche en tierras del norte (y una fuerte necesidad de que la gente realice celebraciones para animarse). El 21 de marzo y el 21 de septiembre, el Sol pasa igual cantidad de tiempo por encima y por debajo del horizonte en ambos hemisferios.

Como vimos en Observando el Cielo: El Nacimiento de la Astronomía, una forma equivalente de mirar nuestro camino alrededor del Sol cada año es pretender que el Sol se mueve alrededor de la Tierra (en un círculo llamado la eclíptica). Debido a que el eje de la Tierra está inclinado, la eclíptica se inclina aproximadamente 23.5° en relación con el ecuador celeste (Figura de revisión\(2.1.6\)). Como resultado, donde vemos al Sol en el cielo cambia a medida que avanza el año.

En junio, el Sol se encuentra al norte del ecuador celeste y pasa más tiempo con quienes viven en el hemisferio norte. Se eleva alto en el cielo y se encuentra por encima del horizonte en Estados Unidos por tanto como 15 horas. Así, el Sol no sólo nos calienta con rayos más directos, sino que además tiene más tiempo para hacerlo cada día. (Observe en la Figura\(\PageIndex{3}\) que la ganancia del Hemisferio Norte es la pérdida del Hemisferio Sur. Ahí 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.

Veamos cómo es la iluminación del Sol en la Tierra en algunas fechas específicas del año, cuando estos efectos están en su máximo. En o alrededor del 21 de junio (la fecha que nosotros que vivimos en el hemisferio norte llamamos el solsticio de verano o a veces el primer día de verano), el Sol brilla más directamente sobre el hemisferio norte de la Tierra. Aparece alrededor de 23° al norte del ecuador, y así, en esa fecha, pasa por el cenit de lugares de la Tierra que se encuentran a 23° N de latitud. La situación se muestra en detalle en la Figura\(\PageIndex{4}\). Para una persona a 23° N (cerca de Hawai, por ejemplo), el Sol está directamente sobre la cabeza al mediodía. Esta latitud, donde el Sol puede aparecer en el cenit al mediodía del primer día de verano, se llama el Trópico de Cáncer.

También vemos en Figura\(\PageIndex{4}\) que los rayos del Sol brillan por todo el Polo Norte en el solsticio. A medida que la Tierra gira sobre su eje, el Polo Norte es iluminado continuamente por el Sol; todos los lugares dentro de los 23° del polo tienen sol durante 24 horas. El Sol está lo más al norte en esta fecha como puede llegar; así, 90° — 23° (o 67° N) es la latitud más meridional donde se puede ver el Sol durante un periodo completo de 24 horas (a veces llamado la “tierra del Sol de medianoche”). Ese círculo de latitud se llama Círculo Polar Ártico.

El solsticio de verano — 21 de junio. La Tierra se dibuja con su eje de rotación, etiquetado como “Eje de la Tierra”, apuntando hacia la parte superior izquierda. La luz del sol se dibuja como tres flechas rojas que vienen de la izquierda y golpean la superficie de la Tierra. En el lado derecho de la figura, se etiquetan los cinco círculos importantes de latitud. Partiendo de abajo son: “Círculo Antártico”, “Trópico de Capricornio”, “Ecuador”, “Trópico de Cáncer” y “Círculo Ártico”. — Figura\(\PageIndex{4}\) Tierra el 21 de junio. Esta es la fecha del solsticio de verano en el hemisferio norte. Obsérvese que a medida que la Tierra gira sobre su eje (la línea que conecta los polos Norte y Sur), el Polo Norte se encuentra bajo la luz solar constante mientras que el Polo Sur está velado en 24 horas de oscuridad. El Sol está en el cenit para los observadores en el Trópico de Cáncer.

Muchas culturas tempranas programaron eventos especiales alrededor del solsticio de verano para celebrar los días más largos y agradecer a sus dioses por hacer que el clima fuera cálido. Esto requirió que la gente hiciera un seguimiento de la duración de los días y la caminata hacia el norte del Sol para conocer el día adecuado para la “fiesta”. (Se puede hacer lo mismo observando durante varias semanas, desde el mismo punto de observación, donde el Sol sale o se pone relativo a un hito fijo. En primavera, el Sol se elevará 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.)

Ahora mira el Polo Sur en Figura\(\PageIndex{4}\). El 21 de junio, todos los lugares dentro de los 23° del Polo Sur —es decir, al sur de lo que llamamos el Círculo Antártico — no ven el Sol en absoluto durante 24 horas.

La situación se invierte 6 meses después, alrededor del 21 de diciembre (la fecha del solsticio de invierno, o el primer día de invierno en el hemisferio norte), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Ahora es el Círculo Polar Ártico el que tiene la noche de 24 horas y el Círculo Antártico el que tiene el Sol de medianoche. A la latitud 23° S, llamado el Trópico de Capricornio, el Sol pasa por el cenit al mediodía. Los días son más largos en el hemisferio sur y más cortos en el norte. En Estados Unidos y el sur de Europa, puede haber solo 9 o 10 horas de sol durante el día. Es invierno en el hemisferio norte y verano en el hemisferio sur.

alt — Figura\(\PageIndex{5}\) Tierra el 21 de diciembre. Esta es la fecha del solsticio de invierno en el hemisferio norte. Ahora el Polo Norte está en la oscuridad durante 24 horas y el Polo Sur está iluminado. El Sol está en el cenit para los observadores en el Trópico de Capricornio y así está bajo en el cielo para los residentes del hemisferio norte.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Variaciones estacionales

Como se puede ver en la Figura\(\PageIndex{4}\), el Trópico de Cáncer es la latitud por la que el Sol está directamente sobre la cabeza en el solsticio de verano. En este momento, el Sol se encuentra en una declinación de 23° N del ecuador celeste, y la latitud correspondiente en la Tierra es de 23° N del ecuador. Si la Tierra se inclinara un poco menos, entonces el Trópico de Cáncer estaría a una latitud más baja, más cerca del ecuador.

El Círculo Polar Ártico marca la latitud más meridional para la que la duración del día es de 24 horas el día del solsticio de verano. Esta se ubica a 90° — 23° = 67° N del ecuador de la Tierra. Si la Tierra se inclinara un poco menos, entonces el Círculo Polar Ártico se movería más al norte. En el límite en el que la Tierra no se inclina en absoluto (su eje es perpendicular a la eclíptica), el Trópico de Cáncer estaría justo en el ecuador de la Tierra, y el Círculo Polar Ártico sería simplemente el Polo Norte. Supongamos que la inclinación del eje de la Tierra se inclinó solo 5°. ¿Cuál sería el efecto en las estaciones y las ubicaciones del Trópico de Cáncer y Círculo Polar Ártico?

Solución

Si la Tierra se inclinara menos, las estaciones serían menos extremas. La variación en la duración del día y la luz solar directa sería muy pequeña en el transcurso de un año, y el camino diario del Sol en el cielo no variaría mucho. Si la Tierra se inclinara 5°, la posición del Sol en el día del solsticio de verano sería 5° N del ecuador celeste, por lo que el Trópico de Cáncer estaría en la latitud correspondiente en la Tierra de 5° N del Ecuador. El Círculo Polar Ártico se ubicaría a 90° — 5° = 85° N del ecuador.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Supongamos que la inclinación del eje de la Tierra fue de 16°. ¿Cuál sería entonces la diferencia de latitud entre el Círculo Polar Ártico y el Trópico de Cáncer? ¿Cuál sería el efecto en las estaciones en comparación con el producido por la inclinación real de 23°?

Contestar

El Trópico de Cáncer se encuentra en una latitud igual a la inclinación de la Tierra, por lo que en este caso, estaría a 16° N de latitud. El Círculo Polar Ártico se encuentra en una latitud igual a 90° menos la inclinación de la Tierra, o 90° — 16° = 74°. La diferencia entre estas dos latitudes es 74° — 16° = 58°. Dado que la inclinación de la Tierra es menor, habría menos variación en la inclinación de la Tierra y menos variación en los caminos del Sol a lo largo del año, por lo que habría cambios estacionales más leves.

Se puede ver una animación del camino del Sol durante las estaciones junto con una vista de lapso de tiempo de luz y sombra desde una cámara instalada en el campus de la Universidad de Nebraska.

Muchas culturas que se desarrollaron a cierta distancia al norte del ecuador tienen una celebración alrededor del 21 de diciembre para ayudar a las personas a lidiar con la deprimente falta de luz solar y las temperaturas a menudo peligrosamente frías. Originalmente, este era a menudo un momento para acurrucarse con familiares y amigos, para compartir las reservas de comida y bebida, y para rituales pidiendo a los dioses que devolvieran la luz y el calor y cambiaran el ciclo de las estaciones. Muchas culturas construyeron elaborados dispositivos para anticipar cuándo venía el día más corto del año. Stonehenge en Inglaterra, construido mucho antes de la invención de la escritura, es probablemente uno de esos dispositivos. En nuestro tiempo, continuamos la tradición del solsticio de invierno con diversas celebraciones navideñas alrededor de 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 hemisferios. Cada lugar de la Tierra recibe entonces aproximadamente 12 horas de sol y 12 horas de noche. Los puntos donde el Sol cruza el ecuador celeste se denominan equinoccios vernales (primavera) y otoñales (otoño).

Las estaciones en diferentes latitudes

Los efectos estacionales son diferentes en diferentes latitudes de la Tierra. Cerca del ecuador, por ejemplo, todas las estaciones son muy iguales. Todos los días del año, el Sol está levantado 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) en lugar de por la cantidad de luz solar. A medida que viajamos al norte o al sur, las estaciones se vuelven más pronunciadas, hasta llegar a casos extremos en el Ártico y la Antártida.

En el Polo Norte, todos los objetos celestes que están al norte del ecuador celeste están siempre por encima del horizonte y, a medida que la Tierra gira, dan vueltas en círculo paralelo a él. El Sol se encuentra 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 vernal y se pone cuando llega al equinoccio otoñal. Cada año hay 6 meses de sol en cada polo, seguidos de 6 meses de oscuridad.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): La posición del sol en el cielo

Las coordenadas del Sol en la esfera celeste van desde una declinación de 23° N del ecuador celeste (o +23°) hasta una declinación 23° S del ecuador celeste (o —23°). Entonces, la altitud del Sol al mediodía, cuando cruza el meridiano, varía en un total de 46°. ¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de marzo, visto desde un lugar del ecuador de la Tierra? ¿Cuál es su altitud el 21 de junio, vista desde un lugar del ecuador de la Tierra?

Solución

En el ecuador de la Tierra, el ecuador celeste pasa por el cenit. El 21 de marzo, el Sol cruza el ecuador celeste, por lo que debe encontrarse en el cenit (90°) al mediodía. El 21 de junio, el Sol se encuentra a 23° N del ecuador celeste, por lo que estará a 23° del cenit al mediodía. La altitud sobre el horizonte será 23° menor que la altitud del cenit (90°), por lo que es de 90° — 23° = 67° por encima del horizonte.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cuál es la altitud del Sol al mediodía del 21 de diciembre, visto desde un lugar en el Trópico de Cáncer?

Contestar: El día del solsticio de invierno, el Sol se ubica a unos 23° S del ecuador celeste. Del Trópico de Cáncer, una latitud de 23° N, el cenit sería una declinación de 23° N. La diferencia en la declinación entre el cenit y la posición del Sol es de 46°, por lo que el Sol estaría a 46° de distancia del cenit. Eso significa que estaría a una altitud de 90° — 46° = 44°.

Aclaraciones sobre el mundo real

En nuestras discusiones hasta el momento, hemos estado describiendo el levantamiento y puesta del Sol y las estrellas como aparecerían si la Tierra tuviera poca o ninguna atmósfera. En realidad, sin embargo, la atmósfera tiene el curioso efecto de permitirnos ver un poco de camino “sobre el horizonte”. Este efecto es resultado de la refracción, la flexión de la luz que pasa por el aire o el agua, algo que discutiremos 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 levantarse antes y ponerse más tarde de lo que lo haría si no hubiera atmósfera presente.

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 el comienzo cuando el Sol está 18° por debajo del horizonte, y el crepúsculo vespertino se extiende hasta que el Sol se hunde más de

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

Probablemente sepas que el solsticio de verano (21 de junio) no es el día más caluroso del año, aunque sea el más largo. Los meses más calurosos en el hemisferio norte son julio y agosto. Esto se debe a que nuestro clima involucra el aire y el agua que cubren la superficie de la Tierra, y estos grandes embalses no se calientan instantáneamente. Probablemente hayas observado este efecto por ti mismo; por ejemplo, un estanque no se calienta en el momento en que

El sol sale pero es más cálido al final de la tarde, después de que haya tenido tiempo de absorber el calor del Sol. De la misma manera, la Tierra se calienta después de que ha tenido la oportunidad de absorber la luz solar extra que es el regalo de verano del Sol para nosotros. Y las épocas más frías del invierno son un mes o más después del solsticio de invierno.

Conceptos clave y resumen

El ciclo familiar de las estaciones resulta de la inclinación de 23.5° del eje de rotación de la Tierra. En el solsticio de verano, el Sol está más alto en el cielo y sus rayos golpean la Tierra más directamente. El Sol está en el cielo por más de la mitad del día y puede calentar la Tierra por más tiempo. En el solsticio de invierno, el Sol está bajo en el cielo y sus rayos entran en más ángulo; además, está levantado por menos de 12 horas, por lo que esos rayos tienen menos tiempo para calentarse. En los equinoccios vernales y otoñales, el Sol está en el ecuador celeste y obtenemos unas 12 horas de día y noche. Las estaciones son diferentes en diferentes latitudes.

Notas al pie

¹ Obsérvese que las fechas señaladas para los solsticios y equinoccios son aproximadas; dependiendo del año, pueden ocurrir uno o dos días antes o después.