La Tierra y la Luna definen las unidades básicas de tiempo

Al paso de la existencia, continuo e irreversible, le llamamos tiempo. Para medir el paso del tiempo definimos unidades y acordamos referencias, etc...

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Al paso de la existencia, continuo e irreversible, le llamamos tiempo. Para medir el paso del tiempo definimos unidades y acordamos referencias en función del movimiento de los objetos celestes. En la astronomía y astrofísica usamos diferentes definiciones de tiempo, que para la observación el cielo resultan más útiles que el tiempo civil.

Medida del tiempo

Los movimientos de la Tierra y la Luna definen las unidades básicas de tiempo: el día, el mes y el año. Actualmente la unidad de básica en los sistemas de unidades mas usados es el segundo, que queda definido con muy alta precisión por los relojes atómicos que se localizan en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, y en otros sitios del mundo con dinero suficiente para adquirir uno de estos caros relojes. De cualquier forma esos relojes se basan todavía en intervalos de tiempo relacionados con acontecimientos astronómicos.

En cualquier lugar sobre la Tierra, un día solar se define como el tiempo que transcurre entre un mediodía y el siguiente. Aquí, "el mediodía" quiere decir el instante cuando el Sol cruza el meridiano -esta línea imaginaria que definimos en la lección 1 y que cruza de norte a sur pasando por el cenit del observador. El tiempo solar medio sería el tiempo que mide un reloj de sol, si está bien instalado. Pero esta forma natural de medir la duración de un día tiene dos desventajas serias: la duración del día solar varía a lo largo del año, y la hora a la que ocurre el mediodía varía de un lugar a otro sobre la Tierra.

Día solar medio

Para completar un día solar necesitamos que la Tierra de una vuelta alrededor de su eje. Al mismo tiempo la Tierra se mueve sobre su órbita alrededor del sol. Estos dos movimientos implican que cada vez que el Sol pasa por el meridiano de un observador en dos días consecutivos, la Tierra ha tenido que girar un poco más de 360º (ver Foto 1). La Tierra gira alrededor de su eje a velocidad prácticamente constante, mientras que la velocidad de la Tierra moviéndose alrededor del Sol (velocidad orbital) cambia con el tiempo. Esto implica que la velocidad con la que vemos moverse al Sol sobre la esfera celeste cambia. La línea imaginaria sobre la que se mueve el Sol sobre la esfera celeste se llama la Eclíptica y resulta estar inclinada sobre el ecuador celeste por 23.5º (porque es el “reflejo” del ángulo de inclinación de la Tierra). Hay dos razones para que el movimiento del Sol sobre la esfera celeste no ocurra a velocidad constante. La primera es que debemos recordar que la órbita de la Tierra no es exactamente circular, es una elipse, donde la velocidad orbital de la Tierra es mayor cuando está más cerca del Sol y es menor cuando está más lejos. La segunda razón es que la eclíptica está inclinada respecto al ecuador celeste. Entonces, la componente de la velocidad hacia el este, con la que vemos moverse al sol sobre la eclíptica, dependerá de la época del año. Lo anterior ocurriría aún si la órbita de la Tierra fuera circular.

La Tierra y la Luna definen las unidades básicas de tiempoFoto 1
Para que el Sol pase por el meridiano de un lugar dado en dos días consecutivos, la Tierra deberá recorrer un arco de 0.96 grados sobre su órbita.

La combinación de estos dos efectos produce que el día solar varíe alrededor de medio minuto en el transcurso del año. No es una variación grande, pero resulta inaceptable para las observaciones astronómicas y para muchos acontecimientos de la vida diaria. La solución ha sido definir un día solar ficticio, o día solar medio, en el que el un Sol ficticio se mueve alrededor del ecuador celeste a velocidad constante. Este es el día que miden nuestros relojes (atómicos, digitales o analógicos) y por definición, el tiempo que tarda en transcurrir un día ficticio es constante. Un día tiene 24 horas, cada hora tiene 60 minutos y cada minuto tiene 60 segundos, por lo que un segundo es 1/86,400 días solares.

Tiempo sideral

Sideral es una palabra que significa “relativo a las estrellas”, por lo cual el tiempo sideral es la medida del tiempo relacionada con el movimiento aparente de las estrellas, es decir con el movimiento del la esfera celeste. En la sección 2.1 hemos mencionado que, al mismo tiempo que la Tierra da vueltas sobre su eje, se mueve sobre su órbita alrededor del Sol y que esto provoca que tenga que girar un poco más sobre su eje para completar un día solar (ver Foto 2). Si ahora quisiéramos medir el tiempo que tarda una estrella en pasar por el meridiano de un lugar en dos días consecutivos (dos culminaciones sucesivas), encontraremos que tarda menos de las 24 horas que definimos como día solar medio. La razón de esto es justo ese ángulo extra que debe girar la Tierra sobre su eje para completar un día solar. Un día sideral es menor que un día solar medio por 3m55.91s.

medida del tiempo
Foto 2
División de la Tierra en 24 zonas horarias. La zona horaria cero corresponde al meridiano que pasa por Greenwich, Inglaterra. Puede notar que la forma de las zonas horarias varia entre países, según la división política de los mismos.

Hora legal y zonas horarias

Ahora bien, todos los relojes del mundo hacen tictac a tasa constante, pero esto no implica que los observadores en diferentes lugares vean el medio día al mismo tiempo. Desde 1884 en todo el mundo se comenzó a usar la que llamamos hora legal u hora civil, que implica que todos los lugares dentro de un meridiano específico adopten la misma hora. La Tierra se divide en 24 meridianos, y a cada meridiano corresponden 15º de arco. La división de estos meridianos se los conoce como zonas horarias o husos horarios (ver Foto 2).

Para el uso de la hora legal se define como referencia la hora en el origen de los meridianos, donde la longitud es 0º, es decir, en el meridiano de Greenwich. A su vez se ha convenido que en el meridiano 180º ocurra el cambio de fecha, por lo que a la línea imaginaria que delínea este meridiano se le conoce como línea internacional de cambio de fecha.

En el caso de México, la hora legal que rige al país durante el año corresponde a 4 meridianos: 75º, 90º, 105º y 120º W.G. (donde W.G. significa al oeste del meridiano de Greenwich. En Baja California Sur, Chihuahua, Nayarit y Sinaloa se usan 105º y 90º (105º por ubicación y 90º por horario estacional u hora de verano). En Sonora se usa el meridiano 105º. En Baja California se se usan los meridianos 120º y 105º y en el resto del país se usa los meridianos 75º y 90º.

La hora legal del día solar ficticio sobre el meridiano de Greenwich define lo que llamamos tiempo universal (UTC –Universal Time Coordinated).

Año solar medio y calendarios

Ahora revisemos la definición de año y cómo organizamos los días para construir calendarios. El llamado año solar (año trópico) se define como el intervalo de tiempo que transcurre entre una estación y otra, por ejemplo de primavera a primavera. El año por convención se divide en meses, que en los primeros calendarios quedaban definidos por las fases de la Luna. El problema que había con esos meses es que un mes lunar o mes sinódico no contiene un número entero de días solares medios, y por lo tanto el año no contenía un número entero de meses y días. Muchos calendarios antiguos eran lunares, con meses de unos 29.5 días solares medios. El calendario moderno (occidental) conserva los meses como subdivisiones convenientes, pero ya no tienen importancia los periodos lunares.

Un año solar medio tiene 365.2422 días, lo que implica que “sobra” una fracción de día respecto de un año civil que tiene 365.0 días. Esta fracción se acumula y agrupa de modo que cuente como día extra luego de algunos años, para que al paso de los años los calendarios no queden desfasados de las estaciones. En el año 46 aC el emperador romano Julio César decretó que el calendario incluyera un día suplementario cada cuatro años suponiendo que el año medio tiene 365.25 días. Este es el calendario Juliano, que resultó una gran mejora, ya que por entonces a los calendarios lunares, que tenían 354 días en un año, había que aumentarles un mes extra cada tres años.

De todos modos el calendario Juliano no corresponde al año solar medio, por lo que al paso del tiempo este calendario se desfasó respecto de las estaciones del año. Para 1582 la diferencia ya era de 10 días, por lo que el Papa Gregorio XIII decretó otra reforma, que define al calendario Gregoriano. Se saltó los 10 días que sobraban reiniciando el equinoccio de verano el 21 de marzo. Cambió la regla para años bisiestos de modo que se omita el día suplementario en los años que sean múltiplos de 100, pero que se conserve en los que sean múltiplos de 400. El efecto de esto hace que el año solar medio tenga ahora 365.2425 días.

La corrección más reciente al calendario Gregoriano declara que los años 4000, 8000, etc., no serán años bisiestos, esto mejora su exactitud hasta en un día cada 20,000 años.

Fecha Juliana

Como los años y los meses del calendario civil tienen un número variable de días, es difícil calcular la diferencia de tiempo entre dos eventos consecutivos. Los astrónomos se han inventado varios métodos para numerar días consecutivos. El método más usado en el mundo es el de las fechas julianas o días julianos, que contrario a lo que su nombre indica no está relacionado con el calendario juliano. La única conexión con el calendario juliano es la longitud de un siglo juliano con 36,525 días. El día juliano cero corresponde al 1ro. de enero del año 4713 a.C. al medio días del meridiano de Greenwich. Y como la suma de días desde entonces provoca que las fechas julianas sean números muy grandes, se hace uso de la fecha juliana modificada. Para usar esta fecha juliana modificada se puede elegir el punto cero del conteo en una fecha específica, por ejemplo el Primero de enero del año 2000. Es claro que si se usa la modificación a la fecha juliana se debe decir la fecha que se usa como punto cero del conteo.

Existen fórmulas diseñadas para encontrar la fecha juliana que corresponde a cualquier día, pero no las comentaremos aquí. Los anuarios y almanaques que se usan en los observatorios publican anualmente las fechas julianas que corresponden a cada día del año. Por ejemplo, la fecha juliana que corresponde al viernes 31 de agosto, a las 0h del meridiano 90º W. G. es 2454343.75.


Fuente: archivo PDF

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