Curiosidades sobre los astros, propuestas de observaciones sencillas, aspectos cotidianos pero poco conocidos, todo ello con un enfoque didáctico.

martes, 23 de enero de 2018

Duración del día y movimientos planetarios

Todos y todas lo aprendimos en la escuela: nuestro planeta gira alrededor de su eje por el movimiento de rotación, y a causa de ello se producen los días y las noches en ciclos de 24 horas. Pero si nos preguntan cuánto dura una rotación, es muy posible que nuestra respuesta sea errónea.

Quizás nos sorprenda saber que si la Tierra no rotase, también habría día y noche, aunque serían muy largas.
           
Aunque normalmente se suele asociar el periodo de rotación con la duración del día, no es exactamente lo mismo. Una rotación es una vuelta completa del astro sobre su eje tomando una referencia externa y lejana, como las estrellas, mientras que en el caso del día se toma como referencia el Sol. Pero puesto que nuestro planeta se mueve a su alrededor, no es un testigo adecuado.

Si bien en la Tierra la diferencia no es grande, no ocurre así en otros astros,  donde el movimiento de traslación tiene una influencia importante en la duración del día y en el movimiento diario del Sol respecto al horizonte.

En algunos artículos de este blog se han recogido de manera separada las circunstancias relativas a este tema de diferentes planetas, pero puede ser interesante abordar el problema de manera conjunta, analizando los factores que provocan las distintas situaciones y comparándolas.

Nuestro planeta tarda 23 horas y 56 minutos en completar una rotación, aunque el día dura 24 horas, apenas 4 minutos más. Pero por ejemplo en Venus un día dura casi la mitad que una rotación, mientras que en Mercurio es justamente el triple.

En muchas tablas, artículos o webs donde se proporcionan los datos de los planetas, suele darse el valor de la rotación como duración del día. Es algo muy frecuente porque el dato de la rotación aparece habitualmente, y a veces sin pensarlo mucho y sin percatarse de que no es lo mismo, se publica el dato de la duración del día utilizando ese mismo número.

Día sidéreo y día solar

Antes de nada conviene aclarar que astronómicamente se consideran diferentes tipos de “día” : día sidéreo, día solar verdadero y día solar medio; y concretamente la duración del día sidéreo se define como el periodo de rotación; 
Pero en el lenguaje habitual, o si no se especifica de qué tipo de día estamos hablando, todo el mundo entiende que nos referimos al día solar, definido como el tiempo transcurrido entre dos pasos consecutivos del Sol por el meridiano local. (o por el meridiano origen para mayor precisión). Como este intervalo de tiempo (día solar verdadero) no es exactamente igual en todas las fechas, promediando la duración de todos los días del año se obtiene el día solar medio de 24 horas.

Para entender por qué no dura lo mismo una rotación que un día, observemos en el siguiente gráfico las cuatro posiciones indicadas de un planeta.  

En el momento en que el planeta está en la posición 1, en el punto indicado por la flecha es mediodía, ya que está el Sol en el meridiano (la flecha apunta hacia el Sol y hacia la parte superior del gráfico). En la posición 2 el planeta ha dado media rotación, y en el 3 se ha completado la rotación, la flecha vuelve a indicar hacia arriba, pero no apunta hacia el Sol porque el planeta se habrá movido en su órbita por lo que aún no ha llegado el mediodía siguiente, para lo cual deberá transcurrir un tiempo adicional hasta la posición 4 en que la flecha vuelve a apuntar al Sol y por tanto éste vuelve a estar en el meridiano.

Como se ha dicho, en el caso de la Tierra, de la posición 1 a la 3 pasan 23 h. 56m. y deben transcurrir unos 4 minutos más (de la posición 3 a la 4) para que se complete el día.
Si el sentido de giro de la rotación es contraria al de la traslación, tal como se verá luego para el caso de Venus, se completa antes el día que la rotación.


Influencia del movimiento de traslación

Según lo anterior, queda claro que la duración del día solar en un planeta viene determinada tanto por el movimiento de rotación como por el de traslación; y si bien el efecto del primero es fijo al ser este movimiento uniforme, la traslación no lo es ya que cerca del perihelio el planeta se mueve más rápidamente según la 2ª ley de Kepler.
Así la influencia de la traslación en la duración del día es distinta dependiendo de la fecha, y será más variable cuanto mayor sea la excentricidad de la órbita del planeta, siendo una de las dos causas de la llamada “ecuación del tiempo” (se explicó en el anexo de este artículo)             

No obstante para realizar un análisis simplificado de las posibles situaciones, en los ejemplos del anexo "Si quieres saber más" se supondrá un movimiento de traslación uniforme en una órbita circular.
           
En el sistema solar la mayoría de los planetas (todos excepto Mercurio y Venus) tienen la rotación mucho más rápida que la traslación, por lo que la duración del día y de la rotación son muy parecidas:
En la Tierra, como  he dicho, 24h y 23h 56m respectivamente: 4 minutos de diferencia.
En Marte la diferencia es menor de 3 minutos, en Júpiter 3 segundos y medio y en los planetas más exteriores aún menos.

- En el caso de Mercurio la rotación es muy lenta, teniendo una duración de 58,66 días terrestres, frente a los 88 días de la traslación, por lo que el día solar dura 176 días terrestres. Así, en el primer planeta el día es exactamente el triple de la rotación y el doble del año, tal como he dicho.
La situación, en principio sorprendente, puede visualizarse en este gráfico:



En la posición 1 es mediodía en el punto donde surge la flecha, en 11 se pone el Sol y comienza la noche, en 21 es medianoche y se cumple un año, en 31 amanece, y en 41 vuelve a ser mediodía, dos años después, a la vez que se completa la tercera rotación.

La primera rotación se cumplió entre las posiciones 14 y 15, cuando la flecha vuelve a estar dirigida hacia la izquierda como en el inicio (1) y la segunda poco antes de la 27.
La exactitud de las proporciones entre los tres periodos no es casualidad, sino consecuencia de resonancias gravitatorias.

- El caso de Venus es muy diferente porque la rotación tiene el sentido contrario (en sentido de las agujas del reloj visto desde el Norte) y esto hace que la duración del día sea menor que la de la rotación, tal como indiqué antes.
Allí la traslación y la rotación tienen una duración parecida (224 y 243 días terrestres respectivamente) y el día en Venus dura 118 días terrestres, saliendo el Sol por el Oeste.



En el punto 9 se cumple un día desde el 1, en el punto 17 (poco después de cumplir un año) se cumplen 2 días, y en el 18 se completa la rotación.





Analizaré ahora otras situaciones teóricas que podrían ocurrir en otros sistemas:

- Cuanto más lenta sea la rotación (en proporción a la traslación), la diferencia entre la rotación y la duración del día es mayor.
Si la rotación durase la mitad que la traslación, el día y el año durarían lo mismo

Partiendo de la posición 1 donde es mediodía en el lugar de la flecha, en 5 (al cabo de media traslación) se ha completado la rotación y justo al repetirse la 1 (después de la 8), se habrán completado 2 rotaciones, una traslación y un día porque la flecha vuelve a dirigirse al Sol.

Si la rotación dura más de la mitad que la traslación año, el día llega a ser más largo que el año, como ocurre en Mercurio     

- Si la traslación y la rotación tuviesen la misma duración, el Sol permanecería inmóvil en el cielo siempre en el mismo lugar; sería siempre de día en la mitad del planeta, y siempre de noche en la otra mitad. No se podría hablar de la duración del día, o en todo caso se diría que es infinita.

En el pundo donde surge la flecha es siempre de día.

Esta situación no se da en ninguno de los planetas del sistema solar, pero sí ocurre en algunos planetas extrasolares que están próximos a su estrella.

También se da en la Luna considerando su traslación alrededor de la Tierra, y en la mayoría de satélites del sistema solar, aunque en estos casos en el tema del día y la noche hay otro factor y se analizará luego.

- Incluso si la rotación durase más que la traslación, el Sol se vería moverse en sentido contrario en el cielo del planeta:


En este ejemplo la rotación dura el doble que la traslación. al cabo de un año de la posición inicial 1, el planeta solo ha dado media vuelta sobre su eje. Desde el planeta El Sol se mueve de Oeste a Este.
  
Esto sucede en Mercurio, pero solo durante un intervalo de tiempo en que el planeta pasa por el perihelio, como se explicó en “Algo extraño está ocurriendo en Mercurio

- Si suponemos la situación en que un planeta no girase sobre su eje, el día duraría lo mismo que la traslación: durante medio año sería de día en un determinado lugar del planeta, y durante el otro medio sería de noche. Así la traslación sería la que determinase la duración del día y en este caso también el Sol saldría por el Oeste y se pondría por el Este. 
De todas formas hay que decir que no se conoce ningún caso en que ocurra ésto, pero la hipótesis aclara la influencia que puede tener la traslación cuando la rotación es muy lenta

En el punto de la flecha es de día en la mitad derecha de la órbita según este gráfico, y de noche en la izquierda, desde la posición 3 hasta la 7.

A veces se especula con lo que ocurriría si la Tierra dejase de rotar. Se imaginan situaciones catastróficas, que no tienen sentido porque eso no ocurrirá. Pero puestos a suponer, lo que sí ocurriría es que seguiría habiendo días y noches, de medio año cada una, moviéndose el Sol muy lentamente en el cielo, en sentido contrario a como lo hace. 



Duración del día en un satélite

En este caso intervienen 3 factores: la rotación y traslación del satélite y la traslación del planeta.
En el sistema solar en la mayoría de los casos las dos primeras tienen la misma duración, y siempre son mucho más rápidas que la de la traslación del planeta, con lo que la situación se simplifica. En la mayor parte de los casos el movimiento de traslación es directo y como consecuencia la duración del día en el satélite es mayor que la de la traslación. Eso significa (suponiendo rotación capturada) que el ciclo de fases dura más que la traslación.
En el caso de la Luna 29,5 días y 27,3 respectivamente.

 En el punto 3 ya se ha completado la rotación (y traslación) del satélite, pero hasta el 4 no se completa el día, con la flecha dirigida nuevamente al Sol, como al principio.


Si se trata de un satélite retrógrado girando alrededor del planeta en sentido contrario al habitual (por ejemplo Tritón, satélite de Neptuno), el día es más corto que la traslación.



 En la posicón 3 ya se ha completado el día, pero la rotación (y traslación) se cumplen después, en 4.

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