Sin duda la relación más importante entre el sol y la tierra se refiere al intercambio energético entre ambos, o mejor dicho, al hecho de que una fracción de la inmensa cantidad de energía irradiada por el sol llega de manera constante hasta nuestro planeta, haciendo posibles todas las formas de vida conocidas. Sin embargo, existen otras relaciones, que podemos englobar como geométricas, que influyen de manera significativa en la forma en que la radiación solar afecta a nuestro planeta. Las relaciones geométricas entre el sol y la tierra marcan la pauta del tiempo, desde la sucesión de días y noches hasta los cambios de estaciones a lo largo del año.

Movimientos terrestres y variaciones temporales

Para describir los movimientos terrestres y las variaciones temporales que generan podemos asumir, en aras de simplificar el problema, que el sol ocupa una posición fija en el espacio (cuando en realidad se encuentra en movimiento constante, como todos los objetos del universo). La tierra, por su parte, realiza de manera simultánea dos movimientos principales: traslación y rotación.

Movimiento de traslación

La tierra se mueve alrededor del sol siguiendo una trayectoria elíptica. El sol se ubica en uno de los focos de la elipse, lo que provoca que la distancia entre la tierra y el sol varíe a lo largo del año. Sin embargo, esa variación es relativamente pequeña, ya que los dos focos de la elipse se encuentran bastante cercanos entre sí, mientras que la diferencia entre el radio mayor y el radio menor es muy pequeña. De hecho, en términos prácticos podemos considerar que la órbita terrestre es circular, por lo que resulta erróneo atribuir a la trayectoria elíptica las variaciones climáticas terrestres (algo en lo que profundizaremos más adelante). El movimiento cíclico de traslación dura un año solar: 365 días, 5 horas, 48 minutos y 46 segundos.

Figura 1. Movimiento de traslación de la Tierra en torno al Sol.

Nota 1: El movimiento elíptico de traslación se da sobre la eclíptica, que es el plano que contiene la órbita de la Tierra alrededor del sol. Las órbitas de la mayoría de los planetas del sistema solar están también sobre la eclíptica, o muy próximas a ella.

Nota 2: La distancia entre el sol y la tierra oscila entre 147.0 x 10⁶ km (afelio, 5 de julio) y 152.2 x 10⁶ km (perihelio, 4 de enero). Esto genera una pequeña variación en la cantidad de radiación solar que recibe la tierra, pero no influye de manera significativa en los climas terrestres.

Movimiento de rotación

De manera simultánea al movimiento de traslación, la tierra gira sobre sí misma en torno a un eje denominado norte-sur geométrico, el cual es ligeramente distinto al eje norte-sur magnético. El eje de rotación se inclina 23.43° (23º 26’) respecto a la perpendicular de la eclíptica, manteniendo casi invariable su dirección absoluta (ver nota abajo). El movimiento de rotación tiene una duración de un día solar, que equivale aproximadamente a 24 horas.

Figura 2. Movimiento de rotación de la Tierra en torno a su propio eje.

Nota: En realidad el eje de rotación tiene al menos otros dos movimientos. Uno es el de precesión, que implica un movimiento oscilatorio cónico, similar al que se produce en las peonzas cuando giran. El ciclo de este movimiento es de unos 26,000 años, por lo que apenas tiene repercusión en la vida humana. El otro movimiento es el de nutación, que representa una pequeña oscilación periódica durante el movimiento de precesión. Su ciclo es de 18.6 años, y por su magnitud tampoco tiene un impacto significativo.

Variaciones temporales terrestres

La sucesión del día y la noche se debe al movimiento de rotación de la tierra. Conforme gira, una parte de la superficie terrestre recibe directamente la luz solar, mientras que la cara opuesta se encuentra en sombra. Debido al sentido de giro de la tierra el sol parece salir del este y recorrer la esfera celeste para luego ocultarse por el oeste.

El fenómeno de las estaciones resulta bastante más complejo. Como indicamos arriba, es un error común pensar que se debe a la variación de la distancia entre el sol y la tierra, suponiendo que el verano corresponde al periodo en que se encuentran más cerca. Sin embargo, hay que recordar que el movimiento de traslación es casi circular. Por otro lado, cuando en el hemisferio norte es verano en el hemisferio sur es invierno, y viceversa, lo cual no podría explicarse con ese planteamiento. Lo cierto es que las estaciones se deben a la variación en los ángulos de incidencia de los rayos solares sobre la superficie terrestre, variación que a su vez resulta de la inclinación casi constante del eje de rotación terrestre durante todo el movimiento de traslación.

Como muestra la Figura 3, durante un periodo del año, debido al ángulo del eje de rotación, el hemisferio norte se inclina hacia el sol. Esta zona de la tierra recibe entonces más horas de soleamiento, a la vez que la radiación solar incide más perpendicularmente sobre la superficie terrestre, de tal manera que se encuentra en la estación de verano. Simultáneamente, el hemisferio sur se inclina en sentido contrario al sol, lo que hace que tenga menos horas de soleamiento y que la radiación solar incida con ángulos más bajos. El hemisferio sur se encuentra entonces en invierno. Ahora bien, ya que el eje de rotación mantiene su inclinación prácticamente constante, en el periodo contrario del año (con seis meses de diferencia) sucede exactamente lo contrario. Es entonces cuando el hemisferio sur se inclina hacia el sol (verano), mientras que el hemisferio norte se inclina alejándose del sol (invierno).

Figura 3. Estaciones de verano en el hemisferio norte y de invierno en el sur, durante junio.

Además, existen dos periodos del año en los que el eje de rotación de la tierra se inclina sobre un plano perpendicular a los rayos solares, de tal manera que ambos hemisferios presentan las mismas horas de soleamiento y reciben la radiación solar con similares ángulos de incidencia. Se trata de los periodos correspondientes a las estaciones de primavera y otoño. La Figura 4 ilustra la secuencia completa de estaciones en ambos hemisferios.

Figura 4. Movimiento de traslación de la tierra en torno al sol, con las variaciones estacionales.

Conceptos geométricos básicos

Para comprender mejor las relaciones geométricas entre el sol y la tierra es necesario conocer algunos conceptos básicos, entre los que se encuentran la oblicuidad de la eclíptica, el ángulo de declinación, los equinoccios y los solsticios. Veamos una breve descripción de cada uno de estos conceptos.

Oblicuidad de la eclíptica

La oblicuidad de la eclíptica es el ángulo casi constante que forma el eje norte-sur geométrico de la tierra respecto a la perpendicular del plano de la eclíptica. Este ángulo tiene un valor aproximado de 23.43° (23º 26’). Por lógica, el plano del ecuador y el plano de la eclíptica también mantienen ese ángulo entre sí.

Figura 5. Oblicuidad de la eclíptica.

Declinación

La declinación solar, o simplemente declinación, es el ángulo entre una línea que va del centro del Sol al centro de la Tierra (dirección de los rayos solares) y el plano del Ecuador. A diferencia de la oblicuidad, que se mantiene prácticamente constante en el tiempo, la declinación varía de acuerdo con la ubicación de la Tierra durante su movimiento de traslación. Por convención, la declinación se considera positiva cuando el ángulo se sitúa en el hemisferio sur y negativa cuando se sitúa en el hemisferio norte. Así, la máxima declinación positiva sucede en el solsticio de verano, mientras que la máxima declinación negativa se da en el solsticio de invierno. En los equinoccios de primavera y otoño la declinación es de 0º. Abajo describimos estos conceptos con más detalle.

Figura 6. Declinación solar.

Solsticios

El solsticio de verano, que tiene lugar el 22 de junio, representa el punto de la eclíptica con la máxima declinación positiva (d = +23.43°). La franja terrestre ubicada en el Trópico de Cáncer recibe la máxima insolación teórica. El solsticio de invierno, por otro lado, sucede el 22 de diciembre e indica el punto de la eclíptica con la máxima declinación negativa (d = -23.43º). La franja terrestre ubicada en el Trópico de Capricornio es la que recibe entonces la máxima insolación teórica. En los solsticios se produce la máxima diferencia entre la duración del día y la noche. Para cualquier punto en el hemisferio norte, en el solsticio de verano se presenta el día más largo y la noche más corta, mientras que en el solsticio de invierno se da la situación contraria. El fenómeno, obviamente, se invierte en el hemisferio sur.

Equinoccios

Son los puntos de la eclíptica en los que la declinación es nula (0º), fenómeno que sucede en dos fechas específicas: el 21 de marzo (equinoccio de primavera) y el 23 de septiembre (equinoccio de otoño). En los equinoccios la línea Sol-Tierra coincide con el plano del Ecuador, es decir, se encuentra contenida en el mismo plano. La duración del día es igual a la de la noche, mientras que las zonas ecuatoriales reciben la máxima insolación teórica (cuando los rayos solares son perpendiculares a la superficie).

Coordenadas terrestres

Además de la altitud, que expresa la distancia vertical entre un punto determinado de la superficie terrestre y el nivel del mar, la ubicación precisa de dicho punto implica el uso de dos coordenadas geográficas angulares: la latitud y la longitud. Como se verá más adelante, aunque estos parámetros se derivan de la propia geometría terrestre, también guardan una estrecha conexión con el sistema de relaciones geométricas entre el sol y la tierra.

Figura 7. Líneas de latitud y longitud sobre el globo terrestre.

La latitud y los paralelos

La latitud expresa la distancia angular, medida sobre un meridiano, entre el plano del Ecuador y cualquier radio que pase por un punto de la superficie terrestre. Cuando dicho punto se localiza sobre el hemisferio norte se dice que tiene latitud norte, la cual suele expresarse con un valor positivo (entre 0° y 90°). Cuando se encuentra en el hemisferio sur se dice que tiene latitud sur, la cual generalmente se expresa con un valor negativo (entre 0° y -90°). En algunos casos, sin embargo, la latitud se expresa siempre con valores positivos, añadiendo las letras N o S, según sea una latitud norte o sur (por ejemplo 43° S).

Se denomina paralelo, por otro lado, a cualquier circunferencia resultante de la intersección de la esfera terrestre con un plano imaginario perpendicular al eje de rotación de la Tierra. Cada paralelo se identifica por su ángulo de latitud. Dicho en otros términos, la latitud representa el valor dimensional de los paralelos. Cinco de los paralelos, por su posición en la esfera terrestre, presentan características especialmente significativas. De ahí que se identifiquen con nombres particulares: Ecuador, Trópicos de Cáncer y Capricornio, y Círculos Polares Ártico y Antártico.

El Ecuador se define por el plano perpendicular al eje de rotación de la tierra que pasa exactamente por el punto medio de dicho eje. Debido a eso, el Ecuador es el paralelo de máxima circunferencia (aproximadamente 40,075 km) y divide la esfera terrestre en los hemisferios norte y sur. Por convención, el ecuador se establece como el paralelo 0° y sirve de referencia para medir los demás ángulos de latitud. En el Ecuador el sol culmina en el cenit tanto en el equinoccio de primavera como en el de otoño.

Figura 8. El Ecuador en el solsticio de invierno.

Los trópicos son los paralelos con latitudes de 23.43°, tanto al norte como al sur del ecuador. El Trópico de Cáncer se ubica en el hemisferio norte, mientras que el Trópico de Capricornio se localiza en el hemisferio sur. La característica más relevante de los trópicos es que señalan las latitudes máximas en las que el plano de la eclíptica puede cortar la esfera terrestre, como se aprecia en la Figura 9. Esto significa que el Trópico de Cáncer es el paralelo más al norte en el cual el sol puede alcanzar el cenit, lo cual sucede en el solsticio de verano, mientras que el Trópico de Capricornio es el paralelo más al sur en el cual se da el mismo fenómeno, solo que durante el solsticio de invierno.

Figura 9. Trópicos de Cáncer y Capricornio en el solsticio de invierno.

Los círculos polares corresponden a los paralelos cuyas latitudes son de 66.55°, tanto al norte como al sur del Ecuador. El Círculo polar ártico es el más cercano al Polo Norte, mientras que el Círculo polar antártico se ubica próximo al Polo Sur. En el solsticio de invierno (22 de diciembre) el Círculo polar ártico marca exactamente la máxima latitud que puede recibir rayos solares, mientras que durante el solsticio de verano (22 de junio) es el Círculo polar antártico el que presenta esta característica. En la posición exacta del Círculo polar ártico, en el solsticio de invierno, el sol permanece oculto las 24 horas. En el solsticio de verano el sol permanece sobre el horizonte las 24 horas. En el Círculo polar antártico se invierte el fenómeno.

Figura 10. Círculos polares Ártico y Antártico en el solsticio de invierno.

Los cinco paralelos descritos arriba dividen la esfera terrestre en cinco franjas (ver Figura 11), en las que se pueden establecer algunos patrones climáticos globales. Obviamente, estos patrones no son estrictos, pero nos dan una idea general sobre las tendencias climáticas alrededor del mundo:

• La zona intertropical, también conocida como zona tórrida, se ubica entre los trópicos. Esta zona coincide con la máxima y mínima declinación del sol, el cual alcanza grandes alturas y culmina en el cenit dos veces al año. La incidencia solar, casi perpendicular a la superficie terrestre, hace que los lugares ubicados en la zona intertropical tiendan a ser calurosos durante la mayor parte del año. Lógicamente esta tendencia es mayor mientras más nos acercamos al Ecuador.
• Las zonas templadas se ubican entre los trópicos y los círculos polares, una en el hemisferio norte y otra en el hemisferio sur. Aquí el sol nunca culmina en el cenit y la radiación solar incide más oblicuamente sobre la superficie terrestre. Debido a ello las zonas templadas tienden a ser menos calurosas y más extremosas que la zona intertropical. Los lugares ubicados en las zonas templadas suelen tener estaciones bien marcadas.
• Las zonas glaciares se encuentran comprendidas entre los Círculos polares y los polos norte y sur. En estas zonas la radiación solar incide en forma muy oblicua sobre la superficie terrestre, e incluso se pueden tener largos periodos prácticamente sin radiación solar. Esto hace que las zonas glaciares sean extremadamente frías.

Figura 11. Grandes franjas climáticas terrestres.

La longitud y los meridianos

La longitud expresa la distancia angular, medida de manera paralela al plano del Ecuador, entre el Meridiano de Greenwich y cualquier radio que pase por un punto de la superficie terrestre. La manera más común de expresar la longitud es mediante valores positivos (de 0° a 180°), cuando dicho punto se encuentra al este del meridiano de Greenwich, y con valores negativos (de 0° a -180°), cuando se ubica al oeste. Sin embargo, existen otras dos maneras de indicar la latitud:

• Con valores siempre positivos, de 0° a 180°, añadiendo la letra E si es al este del meridiano de Greenwich y la letra W si es al oeste.
• Con valores de 0° a 360°, midiendo siempre hacia el este del meridiano de Greenwich.

Por su parte, se llama meridianos a los semicírculos que resultan de la intersección de la superficie terrestre con cualquier plano imaginario que contenga el eje norte - sur geográfico. Cada meridiano se identifica por su longitud y, precisamente debido a ese sistema de identificación, existen dos meridianos de especial relevancia: el meridiano de Greenwich y el meridiano 180º.

El primero se llama así porqué pasa por Greenwich, actualmente un suburbio de la ciudad de Londres, Inglaterra. Para ser más precisos, el meridiano de Greenwich pasa por el antiguo observatorio astronómico que se encuentra en dicho lugar. En 1884 el meridiano de Greenwich se estableció como referencia para medir las longitudes de todos los demás meridianos. Debido a ello también se le conoce como meridiano cero o primer meridiano.

Figura 12. Meridiano de Greenwich.

El meridiano 180° es la línea opuesta al meridiano de Greenwich, es decir, el semicírculo con el cual completa un círculo sobre la esfera terrestre. Este meridiano, también conocido como línea internacional de cambio de fecha, marca el cambio de un día a otro.

Sobre las zonas horarias

Antiguamente era común establecer el horario en cada ciudad de acuerdo con el tiempo solar aparente. En este sistema el mediodía (12:00 horas) sucede cuando el sol se encuentra en su posición más elevada, mientras que el amanecer y el ocaso ocurren en horarios simétricos al del mediodía. El problema fundamental del tiempo solar aparente es la proliferación de horarios distintos. De hecho prácticamente cada ciudad, exceptuando las que se ubican en un mismo meridiano, tendría su propio horario.

Con el objeto de lograr una cierta estandarización de los horarios que se emplean alrededor del mundo se ha establecido un sistema internacional que toma como referencia el meridiano de Greenwich. Se trata del sistema de zonas horarios (también conocidas como husos horarios), el cual se define de la siguiente manera:

a) La superficie terrestre se divide en 24 partes, cada una equivalente a un ángulo de longitud de 15° y a un periodo de una hora (360° / 24 horas = 15°). Cada una de esas partes corresponde a una zona horaria distinta y se puede identificar por su meridiano central (0°, 15°, 30°, 45°, etc.).

b) Se establece como zona horaria 0 (cero) la que tiene en su centro el meridiano de Greenwich. En este lugar también se establece el Tiempo Universal Coordinado (UTC), también conocido como tiempo civil, el cual se usa para definir las demás zonas horarias. El Tiempo Universal Coordinado (UTC) es el sucesor moderno del Tiempo Medio de Greenwich (GMT por sus siglas en inglés: Greenwich mean time). Mientras este último se definía mediante cálculos astronómicos, el UTC se basa en el empleo de relojes atómicos.

c) De la zona horaria 0 hacia el este (derecha) se suma una hora por cada zona horaria. De la zona horaria 0 hacia el oeste (izquierda) se resta una hora por cada zona horaria.

La Tabla 1 muestra como quedan establecidos los husos horarios alrededor del mundo, de acuerdo con el sistema explicado arriba.

Tabla 1. Husos horarios en el mundo.

El objetivo de estandarizar los horarios alrededor del mundo, sin embargo, no es tan sencillo ni se resuelve automáticamente mediante el sistema internacional de zonas horarias. Las zonas horarias oficiales no siguen de manera estricta la geometría de los meridianos, sino que sufren importantes alteraciones, generalmente relacionadas con las fronteras políticas. Para hacer aún más confuso el tema, en algunos países se han hecho ajustes regionales significativos. En ese sentido, para estudios específicos se recomienda consultar el huso horario vigente de cada ciudad. Por ejemplo, el sitio 24timezones.com ofrece un mapa interactivo que permite explorar las zonas horarias vigentes en todo el mundo (Figura 13).

Figura 13. Mapa de zonas horarias reales en el mundo (24timezones.com).

Referencias

[1] E. Mazria, “El libro de la energía solar pasiva,” SERBIULA (sistema Librum 2.0), May 2019.

[2] V. Olgyay, Arquitectura y Clima - Manual de Diseño Bioclimático. Editorial Gustavo Gili, 1998.

[3] F. Tudela, Ecodiseño. Universidad Autonoma Metropolitana de Xochimilco, 1982.

[4] “PD: Earth/Sun.” https://drajmarsh.bitbucket.io/earthsun.html (accessed Jan. 01, 2021).

[5] “Software Science Pickle,” Science Pickle. https://sciencepickle.com/software/ (accessed Jan. 01, 2021).

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