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martes 23, abril 2024

¿Cuál es la causa de las estaciones?

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¿Por qué se delimitan con las fechas que conocemos?

Aprovechando que el pasado miércoles 21 de junio cambiábamos de estación de la primavera a verano, vamos a comentar acerca del origen de las estaciones y las razones por las que las delimitamos con las fechas que comúnmente conocemos.

Como todos sabemos, la Tierra se mueve de dos formas distintas: rota sobre sí misma cada 24h definiendo la duración de un día, y se mueve alrededor del Sol completando una vuelta completa cada 365 días o, lo que es lo mismo, un año. Centrándonos en el movimiento de translación de la Tierra alrededor del Sol, este se produce en una órbita elíptica alrededor del Sol. La forma elíptica digamos que es como un círculo estirado por uno de sus ejes. Esta geometría implica que la distancia del centro al perímetro no es siempre la misma como en un círculo, sino que varía al cambiar de posición (figura 1). En esta órbita elíptica, el Sol se sitúa en uno de los llamados focos de la elipse. Esto significa que la distancia del Sol, medida sobre el eje mayor, a los dos vértices de la órbita terrestre no es la misma. Cuando situamos al Sol en uno de los focos, la distancia al vértice más alejado se denomina afelio (unos 152.000.000 km) y al más cercano perihelio (unos 147.000.000 km). Una confusión muy común es asumir que es la distancia al Sol la que determina las estaciones. Por ejemplo, muchas veces se asume que el momento en el que la Tierra está en el afelio o perihelio determina cuando es invierno (cuanto más lejos del Sol, menos intensa la luz solar) o verano (cuanto más cerca del Sol, más intensa la luz solar), respectivamente. Pero nada más lejos de la realidad. De hecho, la distancia de la Tierra al Sol no tiene apenas influencia en las estaciones. Baste decir que cuando la Tierra está más cerca del Sol, en su perihelio, es invierno en el hemisferio norte y que cuando está más lejos, en su afelio, es verano en el mismo hemisferio.

Elementos de una elipse. La órbita terrestre sería la línea azul y el Sol se situaría en uno de los focos.
Figura 1. Elementos de una elipse. La órbita terrestre sería la línea azul y el Sol se situaría en uno de los focos.

Lo que realmente causa las estaciones es la inclinación del eje de la Tierra respecto a la vertical. La Tierra es una (cuasi)esfera que, como hemos dicho, rota sobre sí misma alrededor de un eje que pasa por los polos. Sin embargo, dicho eje, no está, digamos, vertical (figura 2). Ante esta afirmación alguien podría decir ¿pero que significa que no está en vertical? ¿Cómo definimos que es “vertical” cuando tenemos un objeto “flotando” en el espacio? Bien, para responder a esta pregunta debemos fijarnos en el plano y la dirección de la órbita. En la figura 2 se puede ver muy bien. Si definimos la dirección de translación, podemos ver que el eje perpendicular (que forma 90° o un ángulo recto) a dicha dirección no pasa por los polos. De hecho, el eje que pasa por los polos, que es el eje de rotación de la Tierra, forma un ángulo de aproximadamente 23.5° con el eje “vertical”. Esta diferencia es lo que se conoce como oblicuidad de la Tierra. Así pues, es la oblicuidad la que ocasiona las estaciones o, mejor dicho, los cambios de intensidad de la incidencia de los rayos solares debido a ésta. Se cree que esta oblicuidad es el resultado del choque de un cuerpo celeste enorme cuando la Tierra era joven y estaba todavía en formación. Este choque provocó que el eje de rotación se desplazara respecto a la vertical. Por cierto, este cuerpo celeste que chocó contra la Tierra se llama Tea y causó un gran orificio en la superficie terrestre a la vez que puso en órbita una gran cantidad de polvo y residuos. La mayoría de los científicos piensan que, con el tiempo, esos residuos se transformaron en nuestra Luna.

Diferencia entre el eje “vertical” perpendicular al plano de la órbita y el eje que pasa por los polos. La diferencia angular entre estos dos ejes se denomina oblicuidad.
Figura 2. Diferencia entre el eje “vertical” perpendicular al plano de la órbita y el eje que pasa por los polos. La diferencia angular entre estos dos ejes se denomina oblicuidad.

Para visualizar cómo la oblicuidad causa las estaciones veamos qué ocurre en el hemisferio norte y en el sur a medida que la Tierra se mueve en la órbita (ver figuras 3 y 4 para seguir la secuencia). Cuando estamos en invierno en el hemisferio norte, la Tierra está inclinada de tal manera que los rayos del Sol inciden de forma perpendicular o directa en el hemisferio sur (verano) mientras que llegan oblicuos (formando un cierto ángulo respecto al eje de rotación) al norte (invierno). Esto implica que la intensidad de los rayos solares es menor en el hemisferio norte y eso hace que bajen las temperaturas. El momento en el que los rayos solares inciden de la forma más oblicua posible se conoce como solsticio de invierno y ocurre el 21-22 de diciembre. A medida que avanzamos en el tiempo y avanza el invierno, la Tierra sigue moviéndose en la órbita y el ángulo con el que inciden los rayos del Sol va disminuyendo en el norte y aumentando en el sur hasta que llegamos al equinoccio de primavera que ocurre el 19-21 de marzo. En este momento los rayos del Sol inciden de forma perpendicular al eje de rotación y por lo tanto no hay diferencia entre el hemisferio norte y el sur. Entramos en la primavera en el norte y en el otoño en el sur y las temperaturas son suaves en ambos hemisferios. Seguimos avanzando en la primavera, la Tierra sigue moviéndose en la órbita y llega un momento en el que ocurre la situación contraria a la del solsticio de invierno. Ahora es el hemisferio norte el que recibe los rayos perpendicularmente y el sur con una determinada inclinación que se hace máxima el día del solsticio de verano que ocurre el 20-21 de junio. En este momento la incidencia de los rayos es máxima en el norte y las temperaturas aumentan (verano) y es mínima y, por lo tanto, las temperaturas bajan en el sur (invierno). Seguimos avanzando en la órbita y, en este caso, la inclinación de los rayos solares empieza a aumentar en el norte y a disminuir en el sur hasta llegar al equinoccio de otoño que tiene lugar el 21-24 de septiembre. Aquí ocurre la misma situación que en equinoccio de primavera, los rayos del Sol inciden de forma perpendicular al eje de rotación y por lo tanto no hay diferencia entre el hemisferio norte y el sur. Entramos en el otoño del norte y en la primavera del sur. Ya sólo nos falta completar la vuelta completa y entrar de nuevo en el invierno. Ya hemos completado un año y hemos pasado por las cuatro estaciones.

Figura 3. Secuencia de estaciones dependiendo de la zona donde inciden directamente los rayos solares.
Figura 3. Secuencia de estaciones dependiendo de la zona donde inciden directamente los rayos solares.

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Figura 4. Secuencia de estaciones dependiendo de la zona donde inciden directamente los rayos solares.
Figura 4. Secuencia de estaciones dependiendo de la zona donde inciden directamente los rayos solares.

Como hemos dicho antes, es curioso que el verano en el hemisferio norte ocurra durante el afelio y el invierno durante el perihelio, pero ya habíamos advertido que esta distancia no tenía casi influencia. Bueno, “casi” no tiene. Lo cierto es que la luz solar reflejada sobre la Tierra es un 7 % más intensa durante el perihelio que durante el afelio y esto provoca que el invierno en el hemisferio norte y el verano en el hemisferio sur tengan una duración 4,7 días menor que las estaciones que ocurren en julio, durante el afelio. Luego, en realidad, sí que hay un pequeño efecto.
Otro dato curioso es que, el afelio y el perihelio no están acompasados con el solsticio de verano e invierno. El afelio suele ocurrir entre el 4 y el 6 de julio mientras que el perihelio lo hace entre el 2 y el 4 de enero, es decir, unas dos semanas después del solsticio de verano y de invierno, respectivamente.

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