Camino del sol

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La trayectoria del Sol , a veces también llamada arco diurno , se refiere a la trayectoria diaria y estacional en forma de arco que el Sol parece seguir a través del cielo a medida que la Tierra gira y orbita alrededor del Sol. La trayectoria del Sol afecta la duración del día experimentado y la cantidad de luz diurna recibida a lo largo de una cierta latitud durante una estación determinada.

La posición relativa del Sol es un factor importante en la ganancia de calor de los edificios y en el rendimiento de los sistemas de energía solar . ^[1] El conocimiento preciso de la trayectoria del sol y de las condiciones climáticas en cada ubicación es esencial para tomar decisiones económicas sobre el área de los colectores solares , la orientación, el paisajismo, el sombreado en verano y el uso rentable de los seguidores solares . ^{[2] [3]}

Las trayectorias solares en cualquier latitud y en cualquier época del año se pueden determinar a partir de la geometría básica . ^{[7] [ ¿ fuente poco confiable? ] El eje de} rotación de la Tierra se inclina unos 23,5 grados con respecto al plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol . A medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, esto crea la diferencia de declinación de 47° entre las trayectorias solares del solsticio , así como la diferencia específica del hemisferio entre el verano y el invierno.

En el hemisferio norte , el sol de invierno (noviembre, diciembre, enero) sale por el sureste, transita el meridiano celeste en un ángulo bajo en el sur (más de 43° por encima del horizonte sur en los trópicos) y luego se pone en el suroeste. Está en el lado sur (ecuador) de la casa durante todo el día. Una ventana vertical orientada al sur (lado del ecuador) es eficaz para capturar la energía solar térmica . A modo de comparación, el sol de invierno en el hemisferio sur (mayo, junio, julio) sale por el noreste, alcanza su punto máximo en un ángulo bajo en el norte (más de la mitad del horizonte en los trópicos) y luego se pone en el noroeste. Allí, la ventana orientada al norte dejaría entrar mucha energía solar térmica a la casa.

En el hemisferio norte, en verano (mayo, junio, julio), el sol sale por el noreste, alcanza su punto máximo ligeramente al sur del punto superior (más bajo en el sur a mayor latitud ) y luego se pone en el noroeste, mientras que en el hemisferio sur, en verano (noviembre, diciembre, enero), el sol sale por el sureste, alcanza su punto máximo ligeramente al norte del punto superior (más bajo en el norte a mayor latitud) y luego se pone en el suroeste. Se puede diseñar fácilmente un alero simple del lado del ecuador que dependa de la latitud para bloquear el 100% de la ganancia solar directa que ingresa a las ventanas verticales orientadas al ecuador en los días más calurosos del año. Se pueden usar mosquiteras exteriores enrollables, colchas de ventanas interiores translúcidas u opacas, cortinas, contraventanas, enrejados móviles, etc. para controlar la transferencia de calor y sol por hora, día o temporada (sin ningún aire acondicionado eléctrico activo).

En todo el mundo, durante los equinoccios (20/21 de marzo y 22/23 de septiembre), excepto en los polos, el sol sale por el este y se pone por el oeste. En el hemisferio norte, el sol del equinoccio alcanza su punto máximo en la mitad sur (aproximadamente a la mitad del horizonte en la latitud media) del cielo, mientras que en el hemisferio sur, ese sol alcanza su punto máximo en la mitad norte del cielo. Cuando está de frente al ecuador, el sol parece moverse de izquierda a derecha en el hemisferio norte y de derecha a izquierda en el hemisferio sur.

Las diferencias en la trayectoria solar según la latitud (y el hemisferio) son fundamentales para el diseño eficaz de edificios con energía solar pasiva . Son datos esenciales para el diseño estacional óptimo de ventanas y aleros. Los diseñadores solares deben conocer los ángulos precisos de la trayectoria solar para cada ubicación para la que diseñan y cómo se comparan con los requisitos estacionales de calefacción y refrigeración según el lugar.

En EE. UU., los números precisos de la trayectoria solar estacional de altitud y azimut específicos de la ubicación están disponibles en la NOAA : el "lado del ecuador" de un edificio está al sur en el hemisferio norte y al norte en el hemisferio sur , donde se produce la altitud solar máxima del solsticio de verano el 21 de diciembre.

En el Ecuador, el Sol del mediodía estará directamente sobre la cabeza, y por lo tanto, una vara vertical no proyectará sombra en los equinoccios . En el Trópico de Cáncer (aproximadamente 23,4° N), una vara vertical no proyectará sombra en el solsticio de junio ( verano en el hemisferio norte ), y el resto del año su sombra del mediodía apuntará al polo norte. En el Trópico de Capricornio (aproximadamente 23,4° S), una vara vertical no proyectará sombra en el solsticio de diciembre ( verano en el hemisferio sur ), y el resto del año su sombra del mediodía apuntará al polo sur. Al norte del Trópico de Cáncer, la sombra del mediodía siempre apuntará al norte, y al sur del Trópico de Capricornio, la sombra del mediodía siempre apuntará al sur.

Dentro de los círculos polares (al norte del Círculo Polar Ártico y al sur del Círculo Antártico ), cada año habrá al menos un día en el que el Sol permanecerá por debajo del horizonte durante 24 horas (en el solsticio de invierno ), y al menos un día en el que el Sol permanecerá por encima del horizonte durante 24 horas (en el solsticio de verano ).

En las latitudes medias , la duración del día , así como la altitud solar y el acimut , varían de un día a otro y de una estación a otra. La diferencia entre la duración de un día largo de verano y la de un día corto de invierno aumenta a medida que uno se aleja del ecuador . ^[2]

Las imágenes que aparecen a continuación muestran las siguientes perspectivas desde la Tierra, que marcan las posiciones horarias del Sol en ambos días del solsticio. Cuando se conectan, los soles forman dos arcos diurnos , las trayectorias que el Sol parece seguir en la esfera celeste en su movimiento diurno . El arco más largo es siempre la trayectoria del solsticio de verano, mientras que el arco más corto es la trayectoria del solsticio de invierno. Los dos arcos están separados por 46,88° (2 × 23,44°), lo que indica la diferencia de declinación entre los soles del solsticio.

Además, algunos soles "fantasma" son visibles debajo del horizonte , hasta 18° hacia abajo, durante los cuales se produce el crepúsculo . Las imágenes se pueden utilizar tanto para el hemisferio norte como para el hemisferio sur de la Tierra . Se supone que un observador teórico se encuentra cerca del árbol en una pequeña isla en medio del mar. Las flechas verdes representan los puntos cardinales .

• En el hemisferio norte , el norte está a la izquierda. El Sol sale por el este (flecha lejana), culmina en el sur (a la derecha) mientras se mueve hacia la derecha y se pone por el oeste (flecha cercana). Tanto la posición de salida como la de puesta se desplazan hacia el norte en pleno verano y hacia el sur en pleno invierno.
• En el hemisferio sur , el sur está a la izquierda. El Sol sale por el este (flecha cercana), culmina en el norte (a la derecha) mientras se mueve hacia la izquierda y se pone por el oeste (flecha lejana). Tanto la posición de salida como la de puesta se desplazan hacia el sur en pleno verano y hacia el norte en pleno invierno.

Se representan los siguientes casos:

• En la línea abstracta del Ecuador (0° de latitud), la altura máxima del Sol es grande durante todo el año, pero no forma un ángulo recto perfecto con el suelo al mediodía todos los días. De hecho, esto ocurre dos días al año, durante los equinoccios. Los solsticios son las fechas en las que el Sol se encuentra más alejado del cenit , pero también en esos casos se encuentra alto en el cielo, alcanzando una altura de 66,56°, ya sea al norte o al sur. Todos los días del año, incluidos los solsticios, tienen la misma duración de 12 horas.
• Arcos diurnos del solsticio vistos desde una latitud de 20° . El Sol culmina a una altitud de 46,56° en invierno y a una altitud de 93,44° en verano. En este caso, un ángulo mayor de 90° significa que la culminación tiene lugar a una altitud de 86,56° en la dirección cardinal opuesta. Por ejemplo, en el hemisferio sur, el Sol permanece en el norte durante el invierno, pero puede alcanzar el cenit hacia el sur en pleno verano. Los días de verano son más largos que los de invierno, pero la diferencia no es mayor que aproximadamente dos horas y media. El recorrido diario del Sol es empinado en el horizonte durante todo el año, lo que da como resultado un crepúsculo de solo una hora y 20 minutos aproximadamente por la mañana y por la tarde.
• Arcos diurnos del solsticio vistos desde una latitud de 50°. Durante el solsticio de invierno, el Sol no sale más de 16,56° sobre el horizonte al mediodía, pero 63,44° en el solsticio de verano sobre la misma dirección del horizonte. La diferencia en la duración del día entre verano e invierno, desde aquí hacia el norte, comienza a ser sorprendente: un poco más de 8 horas en el solsticio de invierno, hasta más de 16 horas durante el solsticio de verano. Lo mismo ocurre con la diferencia en la dirección de la salida y la puesta del sol. En esta latitud, a medianoche (alrededor de la 1 am con la hora legal de verano), el Sol de verano está 16,56° por debajo del horizonte, lo que significa que el crepúsculo astronómico continúa toda la noche. Este fenómeno se conoce como las noches grises , noches en las que no oscurece lo suficiente para que los astrónomos puedan realizar sus observaciones del cielo profundo . Por encima de los 60° de latitud, el Sol estaría aún más cerca del horizonte, a solo 6,56° de él. Luego, el crepúsculo civil continúa durante casi toda la noche, con solo un poco de crepúsculo náutico alrededor de la medianoche local. Por encima de los 66,56° de latitud, no hay puesta de sol en absoluto, un fenómeno conocido como sol de medianoche .
• Arcos del día del solsticio vistos desde una latitud de 70°. Al mediodía local, el Sol de invierno culmina a -3,44° y el Sol de verano a 43,44°. Dicho de otra manera, durante el invierno el Sol no sale por encima del horizonte, es la noche polar . Sin embargo, seguirá habiendo un fuerte crepúsculo. A la medianoche local, el Sol de verano culmina a 3,44°. Dicho de otra manera, no se pone; es el día polar.
• Arcos diurnos del solsticio vistos desde cualquiera de los polos (90° de latitud). En el momento de los solsticios de verano o de invierno, el Sol se encuentra 23,44° grados por encima o por debajo del horizonte, respectivamente, independientemente de la hora del día. Mientras el Sol está arriba (durante los meses de verano), dará vueltas alrededor de todo el cielo (en el sentido de las agujas del reloj desde el Polo Norte y en el sentido contrario a las agujas del reloj desde el Polo Sur ), pareciendo permanecer en el mismo ángulo desde el horizonte, por lo tanto, el concepto de día o noche no tiene sentido. El ángulo de elevación cambiará gradualmente en un ciclo anual, con el Sol alcanzando su punto más alto en el solsticio de verano y saliendo o poniéndose en el equinoccio, con períodos prolongados de crepúsculo que duran varios días después del equinoccio de otoño y antes del equinoccio de primavera.

Arcos de los días del solsticio vistos desde latitudes seleccionadas

• 
  0° de latitud (el ecuador )
• 
  20° de latitud
• 
  50° de latitud
• 
  70° de latitud
• 
  90° de latitud ( cualquier polo )

Una publicación de 2021 ^[8] sobre geometría solar calcula primero los componentes x, y y z del vector solar, que es un vector unitario con su cola fija en la ubicación del observador y su cabeza apuntando hacia el Sol, y luego utiliza los componentes para calcular el ángulo cenital solar y el ángulo acimutal solar . El vector solar calculado en pasos de 1 hora para un año completo, tanto de día como de noche, se puede utilizar para visualizar la trayectoria del Sol de manera eficaz.

En las siguientes figuras, el origen del sistema de coordenadas es la ubicación del observador, x positivo es el Este, y positivo es el Norte y z positivo es hacia arriba; en el Polo Norte, y negativo es tangente al meridiano principal; en el Polo Sur, y positivo es tangente al meridiano principal; z positivo es el día y z negativo es la noche; el paso de tiempo es de 1 hora.

Cada patrón "8" en todas las figuras es un analema correspondiente a una hora específica de cada día del año; las 24 horas de un día específico del año representan la trayectoria del sol de ese día.

• 
  Róterdam , Países Bajos
• 
  Ecuador , Meridiano de Greenwich
• 
  Polo norte
• 
  Polo Sur

• Iluminación natural (arquitectura)
• Duración del día
• Efecto del ángulo del sol sobre el clima
• Helióstato
• Sistema de montaje fotovoltaico § Orientación e inclinación
• Piranómetro
• Pirheliómetro
• Acceso solar
• Carta solar

• Tabla de altitud y acimut del Sol o la Luna del Observatorio Naval de EE. UU.
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