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

miércoles, 13 de mayo de 2020

La Estación Espacial en sesión continua

El mejor escenario, CÁCERES.

Este artículo es bastante más técnico de lo habitual, incluso el segundo anexo puede ser “repelente” para quien odie las matemáticas o no le apetezca seguir razonamientos geométricos y además no viva en Cáceres. En cualquier caso, la primera parte sigue siendo adecuada “para todos los públicos” y propone unas observaciones atractivas y muy sencillas incluso desde las ventanas.

Seguro que a algunos de nosotros nos ha ocurrido en alguna ocasión: Estamos mirando al cielo estrellado y vemos un punto muy brillante que se mueve. No parece un avión porque se ve solo una luz blanca, fija, y no el característico par de luces intermitentes roja y verde.

Como muchos ya sabéis, se trata de la Estación Espacial Internacional (ISS según las siglas en inglés) el satélite artificial de mayor tamaño con diferencia (nada menos que unos 100 metros), y el único que está habitado de manera continua desde noviembre de 2000 por varios astronautas. (La estación rusa MIR ya reentró y se desintegró en la atmósfera hace años igual que la china Tiangong-1, mientras la Tiangong-2 y otras estaciones anteriores solo han sido vistadas por astronautas durante breves periodos)

La Estación Espacial Internacional, y las trayectorias de sus 5 pasos visibles en la noche del próximo viernes al sábado en 39.5N 7W

Ver un paso de la ISS cerca del cenit es impresionante. Tanto por su rápido desplazamiento como porque en ocasiones llega a alcanzar la magnitud -4, y por ello en muchos de los pasos será el objeto celeste más brillante del cielo si no está la Luna ni Venus en su máximo brillo, sobre todo una vez que recientemente la flotilla de satélites Iridium que emitían breves destellos hasta la magnitud -8 han sido sustituidos por otros menos reflectantes.

En Bilbao el pasado 5 de abril la ISS deja un trazo luminoso atravesando la constelación de Géminis, cerca de la brillante estrella Proción, durante unos segundos que estuvo abierto el obturador de la cámara.
Incluso desde el centro de una gran ciudad, y a pesar de la contaminación lumínica y la neblina se aprecia perfectamente.

Incluso en ocasiones cuando estamos siguiendo su majestuoso movimiento, casi de repente desaparece como por arte de magia al entrar en la sombra de la Tierra y dejar de recibir (y por tanto de reflejar) la luz del Sol, aumentando la espectacularidad de la situación.

Eclipse de la ISS cerca de la estrella Vega el 7-8-16 desde Araúzo de Torre. En un cielo oscuro es impresionante.

Ya me referí a estos temas en “Mi primer OVNI”, pero hoy quiero recoger una situación, en cierta manera excepcional que se va a producir estos días.

Porque habitualmente, en latitudes medias, en las fechas en que puede verse la ISS suelen apreciarse uno o dos pasos, bien al principio o al final de la noche pero, precisamente ahora, durante unos pocos días el número de pases visibles va a aumentar notablemente.


Este fin de semana de mediados de mayo de 2020, sesión continua.

Durante las noches entre el viernes 15 y el lunes 18 de mayo casi desde cualquier lugar de la península Ibérica podrán verse 5 (o incluso 6) pasos consecutivos con el clásico intervalo de poco más de 90 minutos de diferencia de uno a otro.

Como consecuencia de ello, también de manera excepcional, podrá verse la ISS en una misma noche tanto al principio como al final de la misma.

 Lógicamente en fechas próximas a estas también se verán varios pasos.

Tabla tomada de Heavens-above.com con los pasos para el centro de la península Ibérica (latitud 40º)

Ello es debido al acople entre la órbita del satélite y la línea día-noche, en fechas no muy lejanas al solsticio de verano en el hemisferio Norte, lo que hace que no entre en la sombra de la Tierra en ningún momento, ni siquiera en el paso más próximo a la media noche. Esto se repetirá a mediados de julio, y el hecho de que ocurra dos veces en un año es también excepcional. Como es un tema bastante técnico, lo explico en el anexo.

Se pueden encontrar todos los detalles de los pasos de la ISS desde cada localidad en heavens-above.com, (así como los datos actuales y exactos de la órbita), pero voy a recoger las situaciones especiales de este próximo fin de semana desde la península Ibérica, cuyo cielo es ahora el escenario del espectáculo.

Quienes viváis en el hemisferio Sur deberéis esperar hasta mediados de diciembre para encontrar una situación similar, aunque solo será visible el paso de medianoche desde latitudes entre 39ºS y 63ºS.

Antes de pasar a detalles más técnicos, quizás áridos, y para evitar que algún “afortunado” se lo pierda por dejar de leer ahora, voy a recoger la mejor situación que he encontrado rastreando diversas condiciones y lugares:

 Si vives cerca de Cáceres la noche del sábado 17 al domingo 18 será el “no va más” con 6 pasos visibles. Y la anterior casi mejor, con 5 pasos pero dos de ellos cenitales, con la ISS cruzando todo el cielo y pasando por tu vertical en su actuación más impresionante, como he dicho antes. Desde toda la península se verán buenos pasos, y desde varios lugares alguno cenital, pero dos y además en una misma noche, solo en esa zona privilegiada.

Allí el comienzo de los espectáculos cenitales es a las 23h y a las 5:30h, prácticamente en punto, que hasta en eso ha salido clavado. Vamos, que si uno creyese que “alguien” caprichoso controla estas cosas, ya sabría dónde ir a buscarlo.

Aunque desde toda la península se verán al menos 5 pasos durante las noches del fin de semana, este puede ser el mejor observatorio.

Al final del artículo vuelvo a Extremadura con más detalles.


Visibilidad de la ISS en general.

Para que la Estación Espacial Internacional pueda ser observada tiene que ocurrir que pase por la porción de cielo que se ve desde el lugar en que esté el observador de noche, pero de manera que le siga dando el Sol y pueda así reflejar luz, tal como se recoge en el gráfico que aparece un poco más abajo.

Por eso lo habitual es que se vea solo al principio o al final de la noche, ya que en las horas centrales de la noche (para el observador), cuando pase sobre la zona normalmente estará en la sombra de la Tierra

Debido a su movimiento de Oeste hacia el Este, mucho más rápido que la rotación de la Tierra, en los pasos vespertinos puede eclipsarse al entrar en la sombra terrestre y dejará de verse, mientras que el los matutinos puede acabar el eclipse estando sobre nuestro cielo con lo que se vería como “apareciendo de la nada” y luego seguiría su trayectoria hasta ocultarse por el horizonte. En el siguiente gráfico la ISS, que es visible tanto desde los puntos B, C o D, está a punto de eclipsarse:

Tanto en el punto B, como en C o D ya se ha puesto el Sol y en ese momento se ve la ISS, aunque en B con cierta dificultad por ser aún el crepúsculo. En el punto A no se verá porque es de día. Desde el punto C se verá la ISS en el cenit en ese momento.

Precisamente una de las claves para que este fin de semana se vean tantos pasos es que se dan ciertas condiciones para que no llegue a eclipsarse durante el recorrido que es visible desde determinados lugares, o en realidad durante toda su trayectoria por encima del ecuador.

En cada paso de la ISS su magnitud (el brillo) con que la vemos varía mucho según la altura que vaya alcanzando. Por un lado debido al fenómeno de extinción que sufren todos los astros cerca del horizonte por el efecto del mayor espesor de la capa de atmósfera que debe atravesar la luz y su consecuente debilitamiento.

Además en este caso su distancia cambia enormemente desde poco más de 400 kilómetros cuando pase por el cenit justo encima nuestro (punto C del gráfico anterior), hasta más de mil kilómetros cuando la vemos cerca del horizonte (punto D del gráfico anterior).

Por ello suele considerarse visible solo si al menos parte de su trayectoria se sitúa por encima de los 10º de altura sobre el horizonte, lo que da un campo de visibilidad en un círculo de radio ligeramente superior a los 1300 kilómetros alrededor del punto de la Tierra que en ese momento tiene a la ISS en su vertical, tal como se deduce en este gráfico:


Esto da un círculo de visibilidad de más de 2650 km de diámetro que, para hacerse una idea de su tamaño, incluiría toda la península Ibérica y la Gran Bretaña, de manera que podría verse la ISS tanto desde el peñón de Gibraltar como desde la costa norte de Escocia en el momento en que sobrevolara el punto medio entre ambos lugares. 

Además, aunque el Sol esté bajo el horizonte, en la fase del crepúsculo en que el cielo está suficientemente brillante tampoco se verá. Suelen considerarse visibles los pasos que ocurren cuando el Sol está por lo menos 5º por debajo del horizonte.

Aunque estos criterios pueden ser relativos, son los que actualmente maneja de manera rigurosa el citado programa Heavens-Above, que es la referencia más utilizada en estos temas, si bien es posible que en otras aplicaciones varíe algo porque a veces habría que matizar y tener en cuenta conjuntamente los dos criterios ya que, por ejemplo, un paso con el Sol a -4º que transcurra cerca del cénit es muchísimo más fácil de apreciar que otro en que el Sol esté a 6º pero la ISS pase a solo 15º de altura. Pero en la lista de pasos visibles aparecerá solo el segundo de ellos. 

 

Situaciones generales según la latitud

Como la órbita de la ISS tiene una inclinación de 51.4º nunca se verá en latitudes superiores 63.6º tanto Sur como Norte, ya que los citados 1333 km corresponden a 12º.

Las zonas de no visibilidad son ligeramente mayores que los círculos polares (solo 3º más) pero no tienen nada que ver con ellos, y cuando hace años el brillo de la ISS era menor antes de completarse su montaje, se consideraban estas zonas mucho más amplias ya que se tomaba una altura mínima de 20º

Sobre un gráfico de Heavens-Above.com con la órbita de la ISS, se han añadido algunas indicaciones.

La forma de la línea día-noche varía mucho según la estación, y la del gráfico corresponde a mediados de agosto o finales de abril. También su posición relativa respecto a la órbita de la ISS va cambiando, y ambos factores son la clave para la situación excepcional de este próximo fin de semana.

En la situación del gráfico, por ejemplo, a pesar de que Irlanda está dentro de la zona en que la ISS aparecería por encima del horizonte, en ningún lugar de esa la isla es visible porque es de día, o es el comienzo del crepúsculo y el cielo está aún muy brillante.

Sí sería visible desde el Noroeste de la península Ibérica, porque allí ya es noche cerrada.

Aún dentro de la amplia zona donde la ISS puede ser visible en alguna ocasión, las condiciones son muy variables y dependen de la proximidad al solsticio o equinoccio y de la latitud.

A- Una situación habitual (pero no siempre) para latitudes medias (40º o 45º) sería ver uno o dos pasos al principio de la noche durante unos 20 o 25 días seguidos, luego unos días en que no es visible y luego otro periodo similar en que se ve de madrugada.

El ciclo completo actualmente dura aproximadamente 2 meses y como referencia, cuando en ocasiones se adecua al comienzo de los meses podría decirse que durante unas 3 semanas de un mes concreto (por ejemplo un mes par) se ve por la mañana y en el siguiente mes (los impares) por la tarde. Pero esto va cambiando y en la actualidad los periodos de visibilidad están acaballo en dos meses.

Según se acerca el solsticio de verano los pasos se hacen más numerosos, se verán 3, 4, o hasta 5 o 6, como ahora en que cubren toda la noche. Paradójicamente esto ocurre en el intervalo de fechas intermedias entre los periodos matutinos a los vespertino, y que en otra época del año no se ve ningún paso. De esta manera enlazan o se solapan ambos periodos, y este año 2020 desde mi localidad a 43ºN 3ºW ha habido pasos visibles todos los días desde el 28 de abril y se seguirán viendo hasta el 4 de junio, aunque quienes no hayan madrugado no los verán hasta el 15 de mayo.

De todas formas, como luego se explica, esta época fructífera con 5 o 6 pasos seguidos no tiene por qué producirse exactamente en el solsticio de verano, sino en fechas relativamente próximas a él con algo más de un mes de margen, como ocurre este año.

B- En general desde las latitudes más extremas de la zona de visibilidad (por ejemplo los 60º de latitud Sur o Norte) se ve durante menos días habiendo largos periodos de hasta un mes en que no se ve ningún paso y la situación de este próximo fin de semana (que se explica en el último anexo) también allí es favorable pero ninguna noche hay más de 3 pasos.

Lógicamente se la verá por la zona sur del cielo (en latitudes norte) o por el norte (en latitudes sur)

Desde latitud 60º N. Las alturas son todas muy pequeñas siempre, lo que unido a que en esta época el cielo está brillante toda la noche, no será fácil apreciarla

C- Aunque parezca paradójico, en las cercanías al ecuador los pasos son mucho más escasos, nunca se ve más de uno en un mismo día e incluso dentro de un periodo en que se vea por las tardes (por ejemplo), puede haber algún día intercalado en que no sea visible.

Además los pasos de los ciclos vespertinos a los matutinos son muy rápidos mientras que los contrarios son extraordinariamente largos.

Allí no importa la época del año, como es lógico porque no hay estaciones.




Antes de entrar en detalle, es conveniente hacer una aclaración para la mejor comprensión de los gráficos: En todas las imágenes en que se representan las órbitas de la ISS se hace sobre un mapamundi clásico, centrado en el meridiano cero, y sobre él se van moviendo tanto las sucesivas órbitas como la línea día noche. 

El hecho de que en los gráficos que proporciona Heavens-above aparezcan dos tramos de órbitas discontinuas (como en la cuarta imagen a partir de aquí) se debe a que durante los 93 minutos que han transcurrido de una órbita a otra la Tierra ha rotado. Como se deja fijo el mapa, hay que desplazar la posición de la siguiente órbita y surge la discontinuidad.

Otra opción más acorde con la realidad, que sería el dejar fija la órbita e ir desplazando el mapa, no es viable porque superponer dos mapas daría una imagen muy confusa, y solo sería posible mediante un vídeo.

Todos los pasos nocturnos visibles

Como dije al principio, el motivo de que estos próximos días se produzca una situación excepcional siendo visibles todos los pasos durante la noche, se debe a que la ISS no entra en la sombra de la Tierra durante toda su órbita. Para ello deben coincidir dos circunstancias y en ambas la clave está en las posiciones de la órbita de la ISS y la línea día-noche.

1- Sombra de la Tierra de altura inferior a la de la ISS por donde ésta transita, durante toda su órbita.

Dibujando ambas líneas en un mapamundi, la órbita siempre tiene la misma forma: una sinusoide centrada en el ecuador con valor máximo 51.6º que es la inclinación del plano orbital de dicha órbita y su periodo es 93 minutos. Pero la línea día-noche cambia mucho con las estaciones:

La órbita de la ISS y la línea día-noche en equinoccios, en plena primavera y en solsticio de verano (h.n.)
La posición relativa entre ambas se ha tomado al azar, y va cambiando como se explica en el siguiente apartado (2 . Así  también su posición respecto al mapa.

En los equinoccios la línea día-noche son dos rectas verticales y evidentemente en cada órbita la ISS la atraviesa, cada 46.5 min. entrando y saliendo de la sombra.

En primavera y verano en el hemisferio correspondiente es una curva, similar a un arco de sinusoide, dejando la zona polar por encima del máximo de la sinusoide por ser día perpetuo, mientras que en el otro hemisferio las zonas próximas al polo permanecen en sombra las 24 horas, con la llamada noche perpetua.

En el solsticio el máximo de la línea día-noche alcanza su valor más pequeño (66.5º) y llega justo al límite del círculo polar. En esas fechas es cuando la ISS tiene la mayor posibilidad de no entrar en la sombra. 

En superficie esto parece imposible porque su máximo (51.6º) es menor, pero a la altura de unos 400 km a la que viaja, la situación es diferente:

GRAFICO CLAVE: Situación en el solsticio de Verano con la órbita de la ISS en posición simétrica (acoplada) con la línea día-noche. 
En todos los casos la representación corresponde a una proyección perpendicular a la superficie terrestre.

En este otro gráfico recojo el cálculo de la altura de la sombra en esa situación, en el momento en que la ISS está sobre el punto de máxima latitud (51.6º)

Como la altura de la sombra en el máximo de la trayectoria de la ISS en el solsticio (220 km) es bastante menor que la altura del satélite (que actualmente, y concretando más, es de 418 km) no es necesario que el acoplamiento de las dos líneas (que se explica en el apartado 2) ocurra precisamente en esa fecha, sino que sería suficiente con que la declinación del Sol fuese mayor de 18.15º porque a partir de ese valor, DB es superior a esos 418 km, (como se obtiene con los mismos cálculos en sentido inverso), y ello ocurre entre el 13 de mayo y el 31 de lulio en el hemisferio norte, y en el sur del 15 de noviembre al 28 de enero. En esos intervalos de fechas podrá ocurrir que la ISS no entre en la sombra.

Estas fechas podrían variar un poco si cambia la altura de la ISS, que sufre continuas y lentas disminuciones por el rozamiento con la alta atmósfera y periódicamente encienden un motor y la vuelven a subir. Hace 12 años la altura era bastante inferior, del orden de los 350 kilómetros con lo cual el intervalo de fechas era más reducido

2- Coincidencia del máximo de la curva de la trayectoria orbital con el máximo de la línea día-noche sobre una misma abcisa (tanto en el tramo ascendente como en el descendente ambas líneas se cortan en el ecuador, como en el GRAFICO CLAVE): Lo que he llamado "acople". 

La posición relativa de ambas líneas no cambia casi nada de un paso a otro (La Tierra va rotando y respecto a un punto de la superficie terrestre ambas líneas se desplazarían casi a la vez). 

Pero, además, de un día a otro la órbita se desplaza unos 6º hacia el Oeste respecto a la línea día-noche: Aproximadamente 1º  por la traslación de la Tierra que desplazaría el plano que contiene la línea día-noche (360º en 365.25 días) y 5º porque la orientación del plano de la órbita de los satélites artificiales no se mantiene constante debido a que la Tierra no es totalmente esférica. En los satélites de órbitas altas esta “precesión nodal” es muy pequeña, pero en la ISS es exactamente de 4.942º cada día, hacia el Oeste.

Esta precesión nodal es el elemento clave de toda esta historia. Yo desconocía sus causas y su valor exacto, y me las ha proporcionado @itzalpean, un joven experto en el tema, a quien debo dedicarle el post.

Por ello las dos líneas se van desplazando poco a poco una respecto a otra y coinciden casi exactamente cada 2 meses (6º x 60 días = 360º)

 Desplazamiento de la órbita de la ISS hacia el Oeste respecto a la línea día-noche, en una semana.
Se han marcado como referencias los puntos de corte de ambas líneas con el ecuador. 
Elaborado con gráficos de Heavens-above.com

El "acople" entre las órbitas, y con ello el cumplimiento de la condición 2, ocurre precisamente este 17 de mayo, que está dentro del margen marcado por la condición anterior:  del 13-5 al 31-7.

Como este intervalo es algo superior a dos meses, que es el periodo al cabo del cual se vuelve a producir el “acople” de las órbitas, todos los años se dará esta circunstancia de no eclipsarse la ISS.

¡Pero este año 2020 al ocurrir ahora al principio del intervalo, ocurrirá dos veces! Concretamente el 17 de julio se repetirán las funciones. Aunque las localidades con mejor visión del espectáculo cambiarán.

Si la precesión nodal no existiese (si la Tierra fuese realmente esférica) el acople entre las dos líneas ocurriría siempre en la misma época del año, y como la probabilidad de que fuese cerca del solsticio de verano es pequeña, seguramente nunca se producirían las "sesiones continuas" como las de este fin de semana.


En la situación contraria a la actual, cuando las dos líneas están muy desacopladas como en la siguiente figura, es cuando se producen los periodos de varios días seguidos en que no se ve ningún paso, en todas las latitudes no muy cercanas al ecuador. 



El mejor lugar, Cáceres (39.5N 7W).

La visibilidad del paso más cercano a la medianoche solo es posible en una latitud superior a 38.64ºN (51.64º-12º), y si se apura apenas podrá observarse muy bajo en el horizonte. En localidades del Sur de la península la noche del 17 al 18 es visible un sexto paso, ya en el crepúsculo matutino, pero no en todas las longitudes porque en las zonas más orientales a esa hora ya es casi de día y no se verá. 

Moviéndonos más hacia el Sur podríamos ver un paso más porque la noche es más larga. Precisamente Cáceres entra justo en el norte de esa zona donde pueden verse 6 pasos, y en el Sur de la zona donde se ve el de medianoche.

Más de 6 pasos no pueden ver ahora desde ningún lugar, por esos motivos. Tampoco en otras fechas más alejadas del solsticio de verano en que la noche sea más larga, porque nos salimos del intervalo en que la ISS no entra en sombra. Las coincidencias, ahora y en esta zona han sido determinantes.

Ya me hubiera gustado hacer una escapada y realizar una visita “interesada” a algún amigo que vive por allí,

Por lo tanto al estar limitada la latitud por el Sur (para ver el paso de medianoche) y por el Norte (para poder ver 6 pasos) y el Este para que incluya el paso del alba, queda una estrecha franja con 6 pasos visibles. Recorriéndola y analizando todos los pasos de estos días, hay una zona reducida (en la provincia de Cáceres) donde casualmente se da la circunstancia de que dos de los pasos de la noche anterior serán prácticamente cenitales, lo cual también es excepcional.

Datos para la ciudad de Cáceres.
Moviéndose hacia el Oeste, a mitad de camino con la frontera con Portugal, los dos pasos son de 90º

Esta circunstancia de dos espectaculares pasos cenitales en una noche puede darse solo cuando (como ahora) son visibles pasos vespertinos y matutinos.

El primero de ellos ocurre al principio de la noche cuando la ISS está subiendo de SW hacia NE y otro al final cuando va bajando de NW hacia el SE, dejando tres pasos entre ellos de los que el central, el que tiene la clave en toda esta historia por pasar sobre el punto de máxima latitud a mediodía sin sumergirse, lógicamente aparecerá cerca del horizonte norte.

Dos pasos cenitales solo ocurrirán en un determinado lugar, donde se crucen la vertical de dos trayectorias de diferentes pasos de la ISS tomando como referencia la posición de nuestro planeta en movimiento. Por ello el ámbito geográfico donde pueden verse dos de estos pasos se reduce a una zona muy pequeña (teóricamente a un punto, que en este caso está situado entre las localidades cacereñas de Herreruela y Salorino). 

Podría buscarse otro lugar desde donde fueran cenitales otros dos pasos, (por ejemplo dos pasos contiguos o separados solo por uno o dos de ellos) pero no se verían tantos pasos porque tendríamos que viajar a latitudes muy septentrionales, donde la noche ahora es más breve. 

El tema de la coincidencia con las horas redondas (a "en punto" y a "y media" clavadas) en que aparece la ISS en ambos pasos cenitales, eso ya es una tremenda casualidad que buscando un motivo habría que recurrir “en broma” a la magia de esa zona llena de reminiscencias históricas y cerezos.

2 comentarios:

  1. Estupendo trabajo Esteban completo y bien documentado.Todavía me sigue alucinando que seamos capaces de ver un punto brillante sobre la vertical de una zona que pueda estar a 1300 km de distancia..y claro no se me había ocurrido pensar que ellos igual no la ven por estar todavía de día...

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    1. Gracias.
      Desde que la descubrí, para mí siempre ha sido un espectáculo verla. Recuerdo cuando los hijos eran pequeños, desde el camping, preparábamos la tribuna con unas sillas, unos minutos antes de que pasara. Y he ido aprendiendo muchos detalles con su observación.

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