Las estaciones del año de los planetas del sistema solar – Respuesta

1. Sabiendo que las estaciones del año en la Tierra dependen de la inclinación del eje de rotación terrestre, describe cómo serán las estaciones del año en cada uno de los planetas.

RESPUESTA:

Las estaciones del año[1] en la Tierra dependen de la inclinación del eje de rotación terrestre respecto al plano de su órbita de traslación alrededor del sol.

Mercurio, Venus y Júpiter tienen un eje de rotación prácticamente perpendicular al plano de su órbita y los rayos del sol inciden siempre perpendicularmente en el ecuador en cualquier punto de su recorrido alrededor del sol. Por tanto, Mercurio, Venus y Júpiter no tienen variaciones estacionales a lo largo del año. Venus presenta la particularidad de rotar en sentido contrario; en Venus el sol se levanta por el oeste y se pone por el este.

Tierra, Marte, Saturno, y Neptuno
La Tierra, Marte, Saturno y Neptuno tienen una inclinación semejante (entre 23º[2] y 30º) del eje de rotación respecto al plano de su órbita alrededor del sol. Como sabemos, la Tierra presenta estaciones del año y así lo hacen también Marte, Saturno y Neptuno.

En el solsticio de verano del hemisferio norte, los rayos solares inciden perpendicularmente 23º al norte del Ecuador[3]. No es casualidad que el ángulo coincida con la inclinación del eje terrestre respecto a su órbita. En el solsticio de invierno del hemisferio norte, los rayos solares inciden perpendicularmente 23º al sur del Ecuador[4]. Tanto en el equinoccio de primavera como en el equinoccio de otoño, los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el Ecuador. Los datos que se dan a continuación se refieren a la Tierra y dan buena idea de lo que ocurre en los otros tres planetas.

Verano: Va desde el día del solsticio de verano, en que los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el trópico de cáncer hasta el equinoccio de otoño, cuando los rayos llegan perpendiculares al ecuador.

Si se observa desde el polo norte, el sol de mediodía pasa de estar a 23º de altitud aparente el día del solsticio (primer día del verano) a estar en el horizonte el último día del verano (equinoccio de otoño).
Visto desde el ecuador, el sol de mediodía está a 67º de altitud en dirección norte el primer día del verano y en lo alto del cielo (90º) el último día.
El verano comienza el día más largo del año. Cuando acaba el verano el día y la noche tienen la misma duración. A lo largo del verano los días decrecen y las noches se alargan.

Otoño: Va desde el día del equinoccio de otoño, en que los rayos caen directamente sobre el ecuador, hasta el solsticio de invierno, cuando los rayos solares inciden directamente sobre el polo norte.

Visto desde el polo norte, el sol de mediodía está en el horizonte el primer día y el segundo día desaparece.
Si se observa desde el ecuador, el sol de mediodía pasa de estar en lo alto del cielo el primer día de otoño a estar a 67º en dirección sur el último día.
El otoño comienza cuando el día y la noche tienen la misma duración y acaba el día más corto del año. Los días decrecen y las noches se alargan.

Invierno: Va desde el día del solsticio de invierno, en que los rayos solares inciden directamente sobre el polo sur hasta el equinoccio de primavera, cuando los rayos caen directamente sobre el ecuador.

El sol no es visible desde el polo norte hasta el último día, en que reaparece en el horizonte.
Si se mira desde el ecuador a mediodía, el sol pasa de estar a 67º sur a estar en lo alto del cielo.
El invierno comienza el día más corto del año y acaba cuando los días y las noches tienen la misma duración. Los días crecen y las noches se acortan a lo largo del invierno.

Primavera: Va desde el día del equinoccio de primavera, en que los rayos caen directamente sobre el ecuador, hasta el solsticio de verano, cuando los rayos solares inciden directamente sobre el ecuador.

Visto desde el polo norte, a lo largo de la primavera, el sol pasa de estar en el horizonte a estar en lo más alto del cielo.
Cuando se mira desde el ecuador a mediodía, el sol está en lo alto del cielo (90º) el primer día y a 67º norte de altitud el último día.
La primavera comienza cuando los días y las noches tienen la misma duración y termina el día más largo del año. Los días crecen y las noches se acortan.
La imagen superior muestra la Tierra según se podría ver desde el sol. Por supuesto, no hay sombras. La radiación solar incide perpendicularmente en el centro de cada imagen. Puede comprobarse como en el solsticio de verano del hemisferio norte el centro se halla en pleno hemisferio norte, en los equinoccios el ecuador pasa por el centro de la imagen y en el solsticio de invierno del hemisferio norte el centro se halla netamente en el hemisferio sur. Los cambios de aspecto del ecuador se deben a la inclinación del eje terrestre, (que va de polo a polo), en relación con la órbita descrita por nuestro planeta.

El díscolo Urano
El caso de Urano suele causar sorpresa y da ocasión para completar la descripción de los efectos de la inclinación del eje terrestre en relación con el plano de la órbita que describe cuando se traslada alrededor del sol. Su eje de rotación es casi paralelo al plano de su órbita, debido a lo cual presenta variaciones estacionales anuales muy distintas del resto de los planetas. A efectos del ejercicio, con el fin de simplificar el problema, podemos considerar que la inclinación de su eje respecto al plano de su órbita es de 90º, es decir, está incluido en el plano de su órbita.

En su particular solsticio de verano del hemisferio norte los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el polo norte.  Es importante destacar que en los solsticios el sol se halla en la prolongación del eje de rotación de Urano. En consecuencia, no se pone, ni siquiera se mueve (desde la perspectiva del polo norte de Urano). No hay sucesión de días y noches, es de día permanentemente en el hemisferio norte y de noche permanentemente en el hemisferio sur. Esta situación se mantiene mientras Urano se halla en las proximidades del solsticio y se repite medio año uraniano más tarde en el hemisferio sur. En el solsticio de invierno del hemisferio norte se invierte la situación, los rayos inciden perpendicularmente sobre el polo sur. Durante el solsticio de invierno todo el hemisferio sur está iluminado y todo el hemisferio norte permanece en la oscuridad. En los equinoccios, los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el Ecuador.

Urano presenta cuatro estaciones del año, si bien los solsticios son muy particulares. En su hemisferio norte son:

Verano: Va desde el día del solsticio de verano, en que los rayos solares inciden directamente sobre el polo norte hasta el equinoccio de otoño, cuando los rayos caen directamente sobre el ecuador.

Si se observa desde el polo norte de Urano, el sol pasa de estar en lo más alto del cielo a estar en el horizonte.
Visto desde el ecuador, el sol está en el horizonte el primer día y en lo alto del cielo el último día.

Otoño: Se extiende desde el día del equinoccio de otoño, en que los rayos del sol caen directamente sobre el ecuador, hasta el solsticio de invierno, cuando los rayos solares inciden directamente sobre el polo norte.

Visto desde el polo norte, el sol está en el horizonte el primer día y el segundo día desaparece.
Si se observa desde el ecuador, el sol pasa de estar en lo alto del cielo a estar en el horizonte.

Invierno: Se extiende desde el día del solsticio de invierno, en que los rayos solares inciden directamente sobre el polo sur hasta el equinoccio de primavera, cuando los rayos caen directamente sobre el ecuador.

El sol no es visible desde el polo norte hasta el último día del invierno, en que reaparece en el horizonte.
Si se ve desde el ecuador, el sol pasa de estar en el horizonte a estar en lo alto del cielo.

Primavera: Va desde el día del equinoccio de primavera, en que los rayos caen directamente sobre el ecuador, hasta el solsticio de verano, cuando los rayos solares inciden directamente sobre el polo norte.

Visto desde el polo norte, a lo largo de la primavera, el sol pasa de estar en el horizonte a estar en lo más alto del cielo.
Cuando se mira desde el ecuador, el sol está en lo alto del cielo el primer día y en el horizonte el último día.

OBSERVACIONES:

Las respuestas se dan en referencia al hemisferio norte.

Para resolver el ejercicio se utilizan aproximaciones en el cálculo de los ángulos. Se ha simplificado el caso de Urano considerando que su eje está inclinado 90º en vez de 98º.

Para determinar las estaciones solamente se tiene en cuenta el ángulo de inclinación del eje de rotación en relación con el plano de la órbita. La excentricidad de las órbitas de los planetas, que impone variaciones en su distancia al sol, tiene escasa importancia. Valga como ejemplo que la Tierra pasa por el punto de su órbita más cercano al sol en enero, cuando es invierno en el hemisferio norte y verano en el hemisferio sur.

Las estaciones del año se determinan por la relación geométrica del recorrido orbital de cada planeta y el ángulo incidencia de los rayos solares en su superficie que depende fundamentalmente de la inclinación del respectivo eje de rotación respecto al plano de su órbita.

Las distancias medias de las órbitas de cada planeta al sol son distintas y la radiación recibida por cada uno de ellos será inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al sol.

La longitud de las órbitas aumenta con la distancia media de cada planeta y también la longitud de los años. Un año de Urano, por ejemplo, dura aproximadamente 84 años terrestres.

Para resolver el ejercicio se ha empleado los programas informáticos stellarium y homeplanet.

©Sensio Carratalà Beguer

NOTAS

[1] El texto refiere las estaciones del año del hemisferio norte.
[2] El ángulo que forma el eje de rotación de la Tierra respecto al plano de su órbita es en realidad de 23º 27’.
[3] En el paralelo llamado Trópico de Cáncer, situado 23º 27’ al norte del Ecuador. 23º 27’ es el ángulo que forma el eje terrestre con el plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.
[4] En el paralelo denominado Trópico de Capricornio, situado 23º 27’ al sur del Ecuador.