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

lunes, 6 de junio de 2022

La órbita de la Luna

La Luna también se mueve.

Parafraseando la célebre frase de Galileo, hay que decir que sí. Que como todo el mundo sabe y no conozco ningún negacionista en este tema, nuestro satélite se mueve. Pero no solo en una órbita elíptica alrededor de la Tierra y siguiendo las leyes de Kepler que afectan a todo astro que gire alrededor de otro, sino que se mueve aparentemente a su aire y se sale continuamente de esa órbita teórica.

El tamaño de la órbita no está a escala

Todos sabemos que la Luna orbita alrededor de la Tierra, aunque podría decirse que en realidad se mueve alrededor del Sol acompañando a la Tierra. De una manera o de otra, está claro que recibe influencia gravitatoria de ambos astros afectando a su trayectoria, y para calcular su posición exacta habría que recurrir al llamado “Problema de los 3 cuerpos”, de difícil resolución, y que solo en algunos casos las soluciones son claras. Incluso para obtener posiciones precisas de nuestro satélite hay que calcular la influencia gravitatoria de otros planetas.


De hecho para determinar la posición de la Luna hay que tener en cuenta unas cuantas variables y con ellas puede calcularse su órbita por métodos algo complejos que se salen del objetivo del blog, pero voy a intentar explicar de manera intuitiva alguna de las variaciones que experimenta la órbita lunar debido a la atracción del Sol. Al principio de manera descriptiva, y luego intentando justificar y aclarar algunos detalles. 


1- Forma de la órbita:

En primer lugar, si buscamos los datos de la órbita lunar encontraremos que teóricamente es una elipse de excentricidad 0.055. La excentricidad es un número entre 0 y 1 que indica el alargamiento de la elipse. Cuanto menor es ese número más “redonda” es la elipse y en las circunferencias la excentricidad es 0. 

Por ello la órbita lunar es casi casi redonda, aunque con los números que se suelen citar no lo parezca: Su perigeo (distancia mínima a la Tierra)=363300 km y su apogeo (máxima distancia)=405500 km, con lo que aproximadamente las distancias mínima y máxima estarían en proporción 7/8, debido a que la Tierra, al situarse en uno de los focos de la elipse está alejada del centro.

Pero como luego se verá, la órbita de la Luna va cambiando y esos números que siempre suelen aparecer como valores del apogeo y perigeo solo son los valores medios, ya que el perigeo oscila entre 356 500 y 369 900 km, mientras el apogeo puede llegar a 406 700 o quedarse en 404 200, con lo que la excentricidad puede variar entre 0.066 y 0.044 . 

Órbitas de la Luna en proporción exacta que permiten apreciar sus mínimas diferencias con el círculo, pero la Tierra no está en el centro. Se han ampliado las zonas de perigeos y apogeos para visualizar las diferencias.


2- Trayectoria real con referencia al Sol

Pero en realidad la Tierra se mueve alrededor del Sol llevando con ella la Luna, con lo que la trayectoria de ésta respecto a nuestra estrella es muy curiosa, como una sinusoide curvada, pero con tramos de diferente longitud: 

Se ha exagerado la separación de la Luna respecto a la eclíptica (unas 50 veces) para visualizarlo

Por supuesto, esto es solo un cambio en el sistema de referencia. En los siguientes gráficos en que aparezca el Sol, la Tierra y la Luna, podría utilizarse este tipo de representación, pero se utilizará el esquema habitual de dibujar sendas órbitas lunares alrededor de las diferentes posiciones de la Tierra porque es lo más práctico y útil didácticamente.


3- Las superlunas, o Lunas en el perigeo

Estos últimos años se habla mucho de las superlunas. Independientemente de las exageraciones o incluso las supuestas influencias que los astrólogos (de la astrología surgió este término) le puedan adjudicar a la luna llena que se ve más grande de lo habitual por encontrarse cerca del perigeo y por ello más cerca de la Tierra, cada año hay varias lunas llenas que cumplen las condiciones arbitrarias utilizadas en la definición (2 o 3 correlativas), pero se va a considerar aquí solamente una: la que está más cerca del perigeo.

En A hay luna llena, pero no está en el perigeo, en C está en el perigeo pero la fase no es llena, y en B la luna llena está en el perigeo (sería nuestra superluna) 
Se ha exagerado la excentricidad de la órbita lunar para una mejor visualización.

Si la Luna estuviera por ejemplo en el perigeo cuando está en cuarto creciente, el diámetro sería más grande pero solo veríamos el 50º del disco. Pero, como se explica luego, hay algo más que hace que veamos esas Lunas aún un poquito más grandes. No todas estas lunas en el perigeo se verán del mismo tamaño porque la excentricidad varía continuamente y unos perigeos son más cercanos que otros.


4- El perigeo se mueve …

Si miramos las superlunas que nos anuncian habitualmente en los medios, veremos que cada año ocurren más tarde: En 2021 la más grande fue en mayo (las contiguas también las suelen mencionar) y en 2022 en julio. 

Según las noticias... en 2021 hubo 3 superlunas y otras tantas en 2022; pero aquí se considerará solo  la de mayo de 2021 y la de julio en 2022

Estas superlunas se van retrasando porque el eje perigeo-apogeo, que técnicamente se denomina "línea de los ábsides" se va moviendo globalmente en sentido directo y va girando, dando una vuelta completa cada 8,5 años y cada año las lunas llenas en el perigeo se retrasan uno o dos meses (dependiendo de la situación de la luna llena)

En la posición A la línea de los ábsides está orientada hacia el Sol. Un año más tarde, en B, la luna en el perigeo no estará en fase llena. Más tarde, en C, volverá a haber una llena en el perigeo.


5- La retrogradación de los nodos

Un tema que suele aparecer frecuentemente, porque está relacionado con las fechas de los eclipses, fenómenos de mucha más repercusión, es la retrogradación de los nodos de la órbita lunar.

Vayamos por partes:  La órbita de la Tierra alrededor del Sol y la órbita de la Luna alrededor de la Tierra no están en el mismo plano

Se ha exagerado la inclinación orbital de la Luna para una mejor visualización

La línea intersección de ambos planos se llama línea de los nodos, y los puntos de corte de la órbita lunar se denominan nodos.

 La órbita de la Luna está inclinada unos 5º respecto a la eclíptica, y los eclipses se producen cuando la Luna, en fase llena o nueva, está cerca de uno de los nodos. Si aún estando llena o nueva, y en una vista en planta estuvieran alineados el Sol la Tierra y la Luna, si ésta está lejos de los nodos, se situará demasiado por encima o por debajo del plano de la órbita terrestre y la sombra de nuestro planeta no tocaría la Luna, ni viceversa. 
Por ello, la clave para que haya eclipse es que la línea de los nodos esté apuntando hacia el Sol. Como hay un cierto margen y no es necesario que la Luna esté exactamente en el nodo, dará tiempo al menos a una luna nueva y otra llena, y con ello a un par de eclipses, uno de Luna y otro de Sol.
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En las posiciones 1 y 3 hay eclipse de Sol porque la Luna nueva está cerca de los nodos. En las otras dos posiciones no lo hay, a pesar de ser también luna nueva: En 2 la sombra pasa por encima (por el norte) de la Tierra y en 4 pasa por debajo.

Si esta línea de los nodos mantuviese su dirección constante, apuntaría al Sol dos veces al año, cuando la Tierra estuviera en lugares opuestos de su órbita, y todos los años habría eclipses en los mismos meses:

Puede comprobarse que aproximadamente eso ocurre este año 2022, en que hay eclipses en mayo y en octubre-noviembre, pero analizando las fechas de los eclipses de varios años seguidos:

Se aprecia que de un año a otro se van adelantando y al cabo de unos 19 años (18.61) volverán a ocurrir en fechas cercanas. 

¿Por qué van cambiando las fechas? Porque la línea de los nodos va girando en sentido retrógrado (como las agujas de un reloj), algo más de 19º cada año. 


6. La variación en la inclinación de la órbita

Tal como se ha dicho antes, la órbita de la Luna alrededor de la Tierra está inclinada "unos 5º" respecto a la de la Tierra alrededor del Sol. Pero esa inclinación varía un ángulo del orden de 20´. Podría pensarse que al igual que los parámetros orbitales terrestres, siguiera unos ciclos del orden de miles o incluso millones de años, pero no. Estos ciclos tienen unas periodicidades muy cortas, de poco menos de 6 meses.

La diferente inclinación de la órbita influye en la duración o incluso en la ocurrencia o no de un eclipse, aunque las variaciones son mínimas.

En este ejemplo, donde se han exagerado los ángulos para una mejor visualización, aún con el mismo nodo, en el caso 1 solo habría eclipse penumbral, mientras que en el 2 sería parcial. 

Antes de continuar, no quiero dejar en el tintero una circunstancia que diferencia la inclinación de la órbita lunar con las de otros satélites del Sistema Solar, y es que en casi todos los casos de los grandes satélites, su órbita está muy cercana al plano ecuatorial del planeta, mientras que en nuestra luna, como se ha dicho, está cercana al plano de la eclíptica. Como se ha dicho, se aleja de él en unos 5º, pero del ecuador puede estar hasta a 28.5º.

A continuación en el anexo se detallan más estas 6 circunstancias. Pero si te hubieras quedado con ganas de analizar otros aspectos sobre nuestro satélite, puedes leer estos dos artículos que aunque el enfoque es más general, tienen datos concretos. 



Voy a profundizar ahora en los detalles o justificar los resultados de los apartados anteriores. Aunque quizás hubiera sido más lógico hacerlo seguido en cada apartado, he preferido hacerlo así para no aburrir a quienes ya tengan suficiente con lo visto hasta ahora.

1- Variaciones en la excentricidad de la órbita

La posición del Sol respecto al eje de la elipse de la órbita lunar, realiza un efecto de modificación de los parámetros, de manera que los más extremos coinciden con el Sol en la dirección de la línea de los ábsides (el eje de la elipse, que une apogeo y perigeo), y los más cercanos al círculo ocurren con el Sol en dirección perpendicular a dicha línea.

Aunque la excentricidad media de la órbita lunar es 0.054, teniendo en cuenta los valores extremos del apogeo y perigeo citados antes, en realidad oscila entre 0.044 y 0.067 

Esto está representado en la siguiente animación, donde las diferencias se han triplicado para que el efecto sea más apreciable.

Al cambiar la excentricidad todos los perigeos no son igual de próximos. Se ha mantenido fija la dirección de la línea de los ábsides (que va del perigeo al apogeo) y por eso la dirección hacia el Sol va cambiando.
La animación se ha realizado teniendo en cuenta los valores de la excentricidad cuando la Luna está en el perigeo o apogeo. 


2- Trayectoria real con referencia al Sol

La trayectoria sinusoidal de la Luna alrededor del Sol representada antes se debe a que tanto la Luna como la Tierra giran alrededor de su centro de masas, que está en el interior de la Tierra, pero alejado de su centro geométrico. Esto hace que también la Tierra describa una línea sinusoidal, por supuesto mucho menos evidente:



Pero tiene algunos efectos curiosos, como por ejemplo la determinación del perihelio y el afelio terrestres:

El perihelio de la Tierra, o punto más cercano al Sol, no se considera el punto negro o el verde situados en el eje, sino el azul, por el que pasa la Tierra algún día antes, porque está más cerca.
La posición del Sol, en el gráfico demasiado separado del centro, y la desviación de la línea sinusoidal respecto a la órbita teórica, están muy exageradas para poder apreciar el efecto.


3- Lunas en el perigeo

En el apartado 1 hemos visto que las órbitas varían, y concretamente unos perigeos son mayores que otros. En realidad ese mayor o menor alargamiento es debido a la atracción del Sol, que en ocasiones alarga la elipse. Una vez al año la luna llena coincide con el perigeo (y otra vez la luna nueva), y esos son los dos perigeos más cercanos; cuando la Luna más se acerca en todo el año.

En estos dos gráficos, tomados de la animación anterior, se representan las dos posiciones de la Luna más cercanas de todo el año, correspondientes siempre a la fase nueva y llena. 

Esto hace que las llamadas superlunas no solo son especialmente grandes (un 7% más de lo habitual)  por coincidir la luna llena con el perigeo, sino que además es el perigeo más cercano del año.

 

4- El perigeo se mueve

El motivo por el que cada año la luna llena en el perigeo (la superluna) ocurra más adelante, es porque la línea de los vértices no tiene siempre la misma orientación, y va girando a causa de la interacción gravitatoria del Sol, y como se ha dicho eso hace que  las llamadas superlunas no solo sean lunas llenas en el perigeo, sino que ocurre en los perigeos más cercanos y por eso se ven aún más grandes.

Movimiento del perigeo y apogeo, cambios de su distancia relacionada con las fases: Según se va repitiendo el ciclo, el perigeo va disminuyendo mientras el apogeo va aumentando, alargándose la elipse, y luego al revés uno aumenta y otro disminuye. Estos cambios de tendencia se producen cuando el perigeo o apogeo coinciden con la fase nueva y llena. 

La dirección de la línea de los ábsides (que pasa por el apogeo y el perigeo) de un año a otro ha girado 42º, y por ello las superlunas se van retrasando aproximadamente de promedio un mes y medio cada año

Pero el giro de esta línea de los ábsides es muy curioso, como se recoge en este gráfico, donde en cada caso se ha colocado la Luna en el perigeo:

Las excentricidades de las órbitas están exageradas.

Respecto a una dirección externa, la línea de los ábsides cambia su orientación de manera un tanto irregular: Normalmente va girando levemente en sentido retrógrado, excepto en algunos momentos: 

- Por una parte, cuando está orientada aproximadamente hacia el Sol (puntos 1,2,3,8,9,10) tiende a mantener esas orientaciones durante 2 o 3 lunaciones, por lo que respecto a una referencia exterior va girando en sentido directo.

- Cuando la línea de los ábsides está próxima a la perpendicular a la dirección hacia el Sol (posiciones 6 y 14) realiza un giro brusco en sentido retrógrado y los pasos de un perigeo a otro son apreciablemente más cortos (de 25 o 26 días, frente a los casi 28 días de promedio. Esto no es debido a que la Luna se mueva más rápido, sino a que cambia drásticamente la orientación de la línea de los ábsides. Estos dos giros bruscos son los que hacen que de un año a otro la línea de los ábsides esté girada en sentido retrógrado y tengan que pasar uno o dos meses más para que se repita la luna llena en el perigeo (la superluna.


5- Retrogradación de los nodos

En este caso la situación es la contraria: Los eclipses se van adelantando de un año a otro porque la línea de los nodos va girando en sentido retrógrado (a razón de 19º cada año), y a esto se le llama retrogradación de los nodos. 

La línea de los nodos va girando, pero no lo hace de manera uniforme, tal como se deduce del siguiente gráfico. En los meses en que hay eclipse (cuando apunta hacia el Sol, en las posiciones 1, 5 y 8) prácticamente no gira porque las componentes de la atracción del Sol sobre la Luna nueva y llena están en la dirección de la línea de los nodos y a este efecto se anulan, mientras que en los meses equidistantes (posiciones 3 y 7 ) lo hace más que la media, hasta unos 3º por mes.

La atracción del Sol sobre la Luna es algo más del doble que la de la Tierra sobre nuestro satélite.

En concreto: En 1 hay eclipses porque la línea de los nodos apunta hacia el Sol. En 2 prácticamente mantiene la orientación sin girar, pero ya no apunta al Sol. En ese momento comienza a girar, y especialmente en 3. En 5 vuelve a haber eclipses, y mantiene la orientación de 4 a 6. En 7 sigue girando y en 8 vuelve a estar apuntando al Sol con lo que vuelve a haber eclipses, en una fecha anterior a 1

Por ejemplo, si este año 2022 consideramos los recientes eclipses del 30 de abril y 16 de mayo, en el 2023 serán el 20 de abril y 5 de mayo.

Este giro de los nodos se explica por la diferencia en la atracción del Sol a la Luna en cada uno de los nodos y sus proximidades, combinado con la atracción de la Tierra.


6. La variación en la inclinación de la órbita

Los ciclos de variación de la inclinación de la órbita lunar aparecen representados en este gráfico, de una manera simplificada para poder sacar concusiones sobre su amplitud y periodicidad.

Pero si se mira más en detalle cada sinusoide en realidad es una curva aserrada: Si por ejemplo está aumentando la inclinación se producen de pronto breves retrocesos. En cada ciclo hay 10 momentos en que el crecimiento se invierte. Los más próximos a los máximos son muy leves, pero los cercanos a los mínimos mucho más evidentes.

La escala horizontal es mucho más amplia que en el gráfico anterior, y por ello la figura queda más ancha.


10 comentarios:

  1. Muchas gracias Esteban por tu estupendo artículo, ¡Cómo lo estaba esperando! En mi caso particular el profundizar en estos temas no sólo no me aburre sino que me despierta una gran curiosidad. La verdad es que el movimiento de la luna es mucho más complejo de lo que parece y si aparece explicado sin ecuaciones diferenciales ¿Qué más se puede pedir? ¡¡Gracias otra vez!! Un saludo.

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    1. Gracias a tí, Pablo José por los ánimos que me das y las sugerencias. Soy matemático y creo que las ecuaciones diferenciales son instrumentos útiles para demostraciones e investigación. Pero si se trata de hacer divulgación... Prohibidas. De todas las formas tengo que darle todavía unas vueltas a un par de cosas.
      Disculpa por haber tardado en contestarte, pero he estado muy liado con los planetas de esta madrugada. Como casualmente el tema ha surgido nada más publicar este post, con lo que ha quedado "tapado", seguramente modificaré la fecha de éste, que es intemporal, para que quede más visible.

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  2. Muchas gracias por el "pulido" Esteban. Una pregunta: ¿El desplazamiento del perigeo tiene algo que ver con la "evección lunar"? Según wikipedia ésta consiste en el desplazamiento del perigeo y una variación de la excentricidad...

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    1. Curioso término el de "evección" que, efectivamente, según las definiciones que aparecen por ahí es un cambio en la excentricidad y en la posición del perigeo debido a la atracción del Sol, por lo que correspondería a lo que aparece en este post.
      Lo que ya no me cuadra en absoluto es la periodicidad global que le da la Wikipedia a la evección de algo más de 31 días, porque si bien puede ajustarse a la variación de la excentricidad, el desplazamiento del perigeo es mucho más lento. Miraré despacio el tema.

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    2. Pues gracias a tu sugerencia sobre la retrogradación de los nodos, Pablo José, ha salido este post, sin duda uno de los más leídos y que más han gustado. Sigo con la evección, a ver si me da también para otro artículo. Aunque estoy encontrando algunas contradicciones según las fuentes, incluso en quien lo descubrió.

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  3. Gracias a ti Esteban por tus articulos siempre tan interesantes. No me canso de repetir que no hay muchos libros donde se traten estos temas con algo de profundidad sin llegar a ser demasiado técnicos, con lo que la mayoría de los que no dominamos complejos aparatos matemáticos quedamos fuera, al menos en nuestra lengua. Un cordial saludo.

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  4. Alejandro Gallardo9/6/22, 19:34

    Hola Sr Esteban, mi nombre es Alejandro y trabajo en una empresa de ingenieria y geomensura en Florida. Nuestra empresa esta tratando de patrocinar un proyecto de arte urbano en nuestra ciudad (Cape Coral), y creemos que un reloj solar analematico seria una buena idea, ya que son muy lindos, ocupan poco espacio y tambien tienen mucha ciencia en ellos. Supimos que Juan Vicente Perez Ortiz ha patentado algunos que hay por Espana, y hasta ahora no hemos podido contactar con el, pero otras fuentes nos llevaron a usted como una autoridad en ese tema. Básicamente queremos saber en que nos pudiera ayudar con este proyecto. Muchas gracias por toda su dedicación a este tema.

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    1. Hola Alejandro: Yo, encantado de ayudaros en este tema.
      De cara a concretar y pasar diseños, sería mejor contactar por email. Mi dirección es esteban.penalba@gmail.com.
      De todas formas, para centrar el tema, hay que decir que hay dos tipos de relojes que suelen llamarse analemáticos: Normalmente ese término se refiere a uno que se traza en el suelo, tanto el analema como las referencias horarias, y lo describí en http://www.tercerplaneta.net/2018/05/un-reloj-solar-interactivo-1.html , aunque en ocasiones también se le denomina de esa manera al reloj patentado por Juan Vicente Pérez, que es un reloj cilíndrico y el analema está en el gnomon.

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  5. Muy interesante lo que explicas Esteban, con mucha información y muy didáctico. Eskerrik asko!!

    Veo que en las redes sociales sólo se habla de la luna llena de hoy (ayer) en su aspecto más "esotérico", que si luna rosa, luna gigante, etc...como si nadie se hubiera percatado de lo que vi yo desde mi propia casa:


    "Buenas tardes, hoy he visto el recorrido más corto de la luna llena, salió ayer noche, día 14 de junio de 2022, por el sureste y se ha ocultado esta madrugada por el suroeste. El sol al contrario, y como corresponde a éstos días de solsticio, hoy ha salido por el noreste y se pondrá por el noroeste... su recorrido más largo a lo largo del año.🌕🌞 que tengamos buen día!!😘😘"

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    1. Efectivamente. Buena aportación!
      Es curioso, lo que se "vende" por ahí, intrascendente y repetitivo, mientras que lo que tú observaste tiene mucha más importancia aunque nadie lo cite. Eskerrak zuri!

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