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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 .
Se representan los siguientes casos:
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.
