Medir el tiempo. Calendarios. Nociones básicas de astronomía. Parte 1.

El tiempo y sus derivados ha sido siempre un elemento, además de valioso, necesario, para la organización de la vida del ser humano, no sólo en la búsqueda de la precisión científica de su medida, que naturalmente es básica, sino también, en el logro de cómo y con qué medirlo para que pueda ser administrado de la forma que se considere más adecuada por instituciones y por los seres humanos.

La medida del tiempo ha sido un asunto incluido en las preocupaciones de las diferentes civilizaciones que han ido poblando la tierra. Desconocemos el nacimiento exacto de los calendarios, pero podemos aproximarnos al momento en que aparecieron los primeros vestigios de su existencia.

En las antiguas civilizaciones, se utilizó un calendario lunar para calcular el paso del tiempo. La órbita de la luna marcaba las transiciones entre meses, y transcurridos un número de éstos, se hablaba de años. En el antiguo Egipto aparecieron los primeros calendarios solares, utilizando el movimiento del sol como valor de medición del tiempo.

Para explicar la evolución en las medidas del tiempo, deberemos remontarnos a la antigüedad, y además conocer algunos conceptos básicos de astronomía, que son los que han ido permitiendo lograr mayor exactitud -aunque no total precisión- en las medidas.

Durante el aprendizaje básico cultural de astronomía, siendo niños, nos hablaron del monje polaco Nicolás Copernico -descubridor de que la Tierra giraba alrededor del Sol y no a la inversa-, y de dos movimientos de la Tierra, el de rotación -una vuelta cada 24 horas, produciendo el día y la noche- y el de traslación alrededor del sol cada 365 días, que genera las cuatro estaciones. Además de estos dos movimientos, la Tierra realiza otros tres de cierta importancia: el de nutación, el de precesión de los equinoccios y el del bamboleo de Chandler.

El movimiento de traslación es alrededor del Sol, describiendo una órbita de forma de elipse por un plano que se llama eclíptica. La órbita tiene un perímetro de 940 millones de kilómetros, con una distancia promedio al Sol de 149.597.870 km, desplazándose a una velocidad media de 107.227 km/h en el plano de la eclíptica, que, al no ser circular, hace que la velocidad varíe, oscilando entre 30,3 km/s en el perihelio, y 29,3 km/s en el afelio. El movimiento es levógiro, es decir contrario a las manecillas del reloj.

El movimiento de rotación es también de sentido levógiro, sobre un eje imaginario que pasa por los polos y perpendicular al Ecuador. La velocidad de giro es de 1.670 km/h en el ecuador, disminuyendo este valor conforme nos acercamos a los polos donde el valor llega a ser 0. La velocidad de rotación se ha ralentizado de forma significativa por la acción gravitacional de la Luna, aunque otros sucesos, sin embargo, han acelerado la velocidad -el terremoto del Índico en 2004 ha acelerado la rotación en 3 microsegundos-. Tras la última glaciación -milenio VII a.C.- el ajuste post glacial está cambiando la distribución de la masa de la Tierra y, por consiguiente, se ha ido modificando el momento de inercia y, por la ley de conservación del momento angular, también la duración de la rotación.

Los movimientos de traslación y rotación simultáneos en el plano de la eclíptica, que forma un ángulo con el plano del Ecuador de 23,43 grados en la actualidad, y que se denomina oblicuidad de la eclíptica, es el mismo que el ángulo de inclinación que forma el eje de rotación de la Tierra con respecto a una perpendicular al plano de la eclíptica.  Este ángulo no es constante y va variando por el movimiento de nutación.

Recordamos brevemente el concepto de equinoccios –aequus nocte que significa noche igual-. Son los momentos de cada año en los que el Sol está situado en el plano del ecuador celeste -prolongación del terrestre-, es decir cuando el sol encuentra el plano del ecuador de la Tierra.

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Esos días, para un observador en el ecuador de la Tierra, el Sol alcanza el cenit -punto más alto en el cielo con relación al observador que se encuentra justo debajo-. Ocurre dos veces cada año: entre el 19 y el 21 de marzo –equinoccio de primavera– y entre el 21 y el 24 de septiembre –equinoccio de otoño-.

El plano del ecuador de la Tierra y el de la eclíptica -donde se encuentra la elipse que recorre la Tierra alrededor del Sol- se cortan en una línea que tiene en un extremo el punto Aries y en el diametralmente opuesto el punto Libra. Cuando el Sol cruza el punto Aries se produce el equinoccio de primavera, comenzando esa estación en el hemisferio norte y el otoño en el hemisferio sur. A partir de ahí el Sol se encuentra en el hemisferio norte celeste hasta alcanzar el punto Libra, en donde se producirá el equinoccio de otoño, iniciándose el otoño en el hemisferio norte y la primavera en el hemisferio sur.

El movimiento de precesión de los equinoccios es el cambio lento y gradual en la orientación del eje sobre el que rota la Tierra, que varía su posición trazando un cono en sentido dextrógiro, recorriendo una circunferencia completa por la generatriz de ese cono cada 25.776 años, período conocido como año platónico, siendo similar al cabeceo del eje de una peonza. Debido a la precesión de los equinoccios, el punto Aries retrocede 50,290966 segundos de grado de arco al año en el año platónico de 25.776 años, de modo que a veces está en unas constelaciones y a veces en otra. Estuvo en Aries, está en Piscis y según como se mida ya ha llegado a Acuario. Los 50,29 segundos de arco por año, en la órbita corresponden a unos 36.300 kilómetros.

La precesión, describe el cambio gradual en la orientación del eje de rotación de la Tierra, respecto al plano de la eclíptica que recorre la Tierra en el movimiento de traslación. El movimiento de precesión es dextrógiro -se realiza en el sentido de las agujas del reloj-, mientras que el movimiento de rotación de la Tierra es en sentido contrario.

La precesión provoca que cada año el sol se encuentre en una posición ligeramente diferente en cada equinoccio respecto a la Tierra. La posición del sol en la actualidad está desplazada y ya no se corresponde con la constelación del signo del zodiaco que se estableció hace varios miles de años; el 21 de marzo el sol debería estar entrando en la constelación de Aries cuando realmente se encuentra en Piscis.

El movimiento de nutación -cabecear u oscilar- es un movimiento ligero irregular del eje de rotación de la Tierra que hace que el de precesión no se realice en un cono perfecto, debido a la atracción gravitatoria de la Luna, el Sol, y de forma casi inapreciable otros planetas, haciendo que el eje terrestre se incline más o menos respecto a la circunferencia que muestra el movimiento de precesión, ondulando dicha circunferencia. El movimiento de nutación de la Tierra fue descubierto en 1728 por el astrónomo inglés Bradley.

La nutación hace que cada 18,6 años el eje de rotación de la Tierra oscile hasta unos nueve segundos de ángulo a cada lado del valor medio de la oblicuidad del eje terráqueo respecto al plano de la eclíptica.

El bamboleo de Chandler es otra irregularidad en la oscilación del eje de la Tierra en su movimiento de rotación. Fue descubierto en 1891 por el astrónomo Chandler, tratándose de un movimiento oscilatorio del eje de la Tierra de 0,7 segundos de arco en el periodo de 433 días, que hace que los polos se muevan en una circunferencia irregular de 3 a 15 metros de diámetro. No se sabe el porqué de dicho movimiento, aunque parece ser que podría estar producido por cambios climáticos, cambios de presión en el fondo de los océanos o variaciones en la concentración salina en los mares.

Ahora, se analizarán los conceptos de año solar y año trópico, partiendo de los de día solar y día sideral o sidéreo.

Al irse desplazando la Tierra alrededor del Sol, al mismo tiempo que gira, cuando finalizan los 360º del giro sobre sí misma, ya no tendrá un observador que hubiera permanecido en el mismo lugar, la misma posición relativa respecto al Sol . Si se utilizan las estrellas más lejanas del Universo como referencia para el observador –primer punto de Aries o equinoccio vernal-, al cabo de los 360º de giro, habrá pasado un día sideral o sidéreo, mientras que la Tierra debería seguir girando 1º más para volver a visualizar el centro del Sol y terminar de completarse un día solar.

Inicio de día sidéreo y solar.

Fin del día sidéreo o sideral.

Fin del día solar.

Si se utiliza como referencia el primer punto de Aries, la Tierra tarda 23,9345 horas en volver a apuntar a ese punto de las estrellas lejanas –día sidéreo-, pero 3´ 55,9´´ más tarde apunta de nuevo al Sol –día solar medio-, tras 24 horas exactas, que es lo que tarda el Sol en culminar o pasar dos veces consecutivas por el meridiano en que se encuentre el observador. El día sidéreo, son aproximadamente 4 minutos menos que el día solar.

Por esta diferencia, a medida que transcurren los días del año, la duración de las horas de luz y oscuridad van aumentando y disminuyendo. Ambas, noche y día, son de 12 horas en los equinoccios.

Aunque un año con carácter general -365 días- es el tiempo que emplea la Tierra en dar una vuelta completa alrededor del Sol, para los cálculos astronómicos, sin embargo, deben tomarse en consideración y definirse con mayor precisión, diversos conceptos de año.

Un año es el tiempo que transcurre desde que la Tierra está en un punto en el espacio respecto al sol alineado con una estrella lejana, hasta que vuelve a estar exactamente en la misma posición referenciado a esa estrella -“fija”- y al Sol, alineados los tres.  A este concepto, se le denomina año sidéreo o sideral. El año sideral es medido por la posición respecto a las estrellas fijas -lejanas- y tiene una duración de 365,25636 días –365 días, 6 horas, 9 minutos y 9,7632 segundos-.  El concepto del año sideral es interesante para los astrónomos y astrólogos que quieran conocer y predecir la posición del sol en el firmamento visto desde la Tierra.

Año sidéreo.

Año trópico o solar .

Si la referencia que se utiliza es solamente el Sol, el tiempo comprendido entre dos pasos sucesivos del mismo por el equinoccio de primavera -primer punto de Aries- se denomina año trópico, tropical o año solar y tiene una duración de 365,2422 días –365 días, 5 horas, 48 minutos, 45,98 segundos-, aproximadamente 20 minutos y 24 segundos menos que el año sideral, debido a que el primer punto equinoccial retrocede a causa de la precesión de los equinoccios. También es denominado año civil, porque hace referencia al calendario civil.

La diferencia entre el año trópico y el sideral se produce por la precesión de los equinoccios.  Los equinoccios y solsticios son puntos de la órbita terrestre, en los que la proyección del eje de rotación de la Tierra sobre el plano de la eclíptica se alinea -solsticio- o se sitúa perpendicular -equinoccio- a la línea imaginaria Sol-Tierra. Si el eje de rotación de la Tierra siempre apuntara en la misma dirección, el año trópico y el sidéreo durarían lo mismo.

También se puede señalar el concepto del año anomalístico que es el tiempo comprendido entre dos pasajes sucesivos de la Tierra por el perihelio, que es de 365,2596 días -365 días, 6 horas, 13 minutos, 53 segundos-. Más de cuatro minutos de mayor duración que el año sideral, porque el perihelio de la órbita terrestre se adelanta ligeramente cada año por las perturbaciones de los otros planetas.

El interés real por el concepto año, se basa en la búsqueda de conocer con la mayor precisión posible como se suceden las estaciones y poder predecir los cambios climáticos asociados. Esto no tiene relación alguna con la posición de la Tierra en el espacio, sino con la posición del sol con respecto a la inclinación del eje terrestre. O sea, lo importante, es saber con exactitud el intervalo de tiempo que transcurre entre dos posiciones idénticas del eje de la Tierra y el Sol, que es lo que mide el tiempo entre dos equinoccios de primavera sucesivos y es el definido como año trópico o solar.

En la práctica usamos días de 24 horas de 86.000 segundos, pero los cálculos para los calendarios y otras actividades, son mucho más complicados por los retrasos acumulados del año trópico -de 365,242189 días-, respecto al sideral -365,2596 días-, por lo que existen los años bisiestos, en un intento de ajustar el desfase -cerca de 6 horas al año-.

Además de los mencionados, se pueden enumerar diferentes definiciones de tipos de año:

Año cósmico o galáctico es el tiempo transcurrido en una órbita del Sol en torno al centro de la Vía Láctea -220 millones de años-.

Año de eclipse es el tiempo transcurrido entre dos pasos sucesivos del Sol por un nodo de la órbita de la Luna. La órbita de la Luna está inclinada 5º 9´ respecto al plano de la Eclíptica, a la que corta en dos puntos llamados nodos, ascendente y descendente.

Año bisiesto, utilizado para los ajustes por desfase: un día extra cada 4 años, excepto los múltiplos de 100 –años seculares que son los que cierran un siglo-, excluyendo de éstos, a los múltiplos de 400 que sí tendrían día extra. Un año bisiesto tiene por tanto 366 días, ajuste que se hace al agregar un día a febrero. Cada año se acumula una fracción de un cuarto de día completándose un día cada cuatro años.

To be continued in part 2.

Música: Chopin para piano. Nocturno in f sharp menor op15 nº 2 por Krystian Zimerman.