Trayectoria del sol

La trayectoria solar, a veces también llamada arco diurno, se refiere a la trayectoria arqueada, tanto diaria (del amanecer al atardecer) como estacional, que el Sol parece seguir en el cielo a medida que la Tierra gira y orbita alrededor del Sol. La trayectoria solar afecta la duración del día y la cantidad de luz solar recibida a lo largo de una latitud determinada durante una estación determinada.

La posición relativa del Sol es un factor clave en la ganancia de calor de los edificios y en el rendimiento de los sistemas de energía solar. Un conocimiento preciso de la trayectoria solar y las condiciones climáticas, según la ubicación, es esencial para tomar decisiones económicas sobre la superficie de los colectores solares, la orientación, el paisajismo, el sombreado en verano y el uso rentable de seguidores solares.Las trayectorias solares en cualquier latitud y época del año pueden determinarse mediante geometría básica. El eje de rotación de la Tierra se inclina unos 23,5 grados con respecto al plano de su órbita alrededor del Sol. A medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, esto crea una diferencia de declinación de 47° entre las trayectorias solares en los solsticios, así como la diferencia hemisférica entre verano e 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° sobre el horizonte sur en los trópicos) y se pone por el suroeste. Permanece en el lado sur (ecuador) de la casa durante todo el día. Una ventana vertical orientada al sur (lado ecuador) es eficaz para captar 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 se pone por el noroeste. Allí, la ventana orientada al norte dejaría entrar abundante energía solar térmica a la casa.En el hemisferio norte, durante el verano (mayo, junio y julio), el sol sale por el noreste, alcanza su punto máximo ligeramente al sur del punto más alto (más bajo en el sur a mayor latitud) y luego se pone por el noroeste. Mientras que en el hemisferio sur, durante el verano (noviembre, diciembre y enero), el sol sale por el sureste, alcanza su punto máximo ligeramente al norte del punto más alto (más bajo en el norte a mayor latitud) y luego se pone por el suroeste. Se puede diseñar fácilmente un alero simple, dependiente de la latitud, en dirección al ecuador para bloquear el 100 % de la radiación solar directa que entra por las ventanas verticales orientadas al ecuador en los días más calurosos del año. Se pueden utilizar persianas exteriores enrollables, edredones interiores translúcidos u opacos para ventanas, cortinas, contraventanas, enrejados móviles, etc., para controlar la transferencia de calor y el sol por hora, día o temporada (sin necesidad de 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 del cielo (aproximadamente a la mitad del horizonte en latitudes medias), mientras que en el hemisferio sur, su punto máximo es en la mitad norte. Al orientarse hacia el 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 cruciales para un diseño eficaz de edificios con energía solar pasiva. Son datos esenciales para un diseño estacional óptimo de ventanas y aleros. Los diseñadores solares deben conocer los ángulos precisos de la trayectoria solar para cada ubicación y compararlos con los requisitos estacionales de calefacción y refrigeración de cada lugar.En EE. UU., la NOAA proporciona las cifras precisas de la trayectoria solar estacional, con valores de altitud y azimut específicos de cada ubicación: el "lado del ecuador" de un edificio está al sur en el hemisferio norte y al norte en el hemisferio sur, donde la altitud solar máxima en el solsticio de verano se produce el 21 de diciembre.En el Ecuador, el Sol del mediodía estará directamente sobre la Tierra, por lo que una vara vertical no proyectará sombra en los equinoccios. En el Trópico de Cáncer (aproximadamente a 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 a 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 Polar Antártico), cada año habrá al menos un día en el que el Sol permanecerá bajo el horizonte durante 24 horas (en el solsticio de invierno) y al menos un día en el que el Sol permanecerá sobre el horizonte durante 24 horas (en el solsticio de verano).En las latitudes medias, la duración del día, así como la altitud y el azimut solares, 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 nos alejamos del ecuador.Las imágenes a continuación muestran las siguientes perspectivas desde la Tierra, que marcan las posiciones horarias del Sol en ambos solsticios. Al conectarse, 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 siempre corresponde a la trayectoria del solsticio de verano, mientras que el más corto corresponde a la 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 bajo el horizonte, hasta 18° por debajo, durante los cuales se produce el crepúsculo. Las imágenes pueden utilizarse tanto para el hemisferio norte como para el hemisferio sur de la Tierra. Se supone que un observador teórico se sitúa 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 se levanta en el este (flecha larga), culmina en el sur (a la derecha) mientras se mueve a la derecha, y se pone en el oeste (flecha cerca). Tanto el ascenso como las posiciones fijas se desplazan hacia el norte en medio del verano y el sur en medio del invierno.
• En el hemisferio sur, el sur está a la izquierda. El Sol se levanta en el este (cerca flecha), culmina en el norte (a la derecha) mientras se mueve a la izquierda, y se pone en el oeste (flecha lejos). Tanto el ascenso como las posiciones fijas se desplazan hacia el sur en medio del verano y el norte en medio del invierno.

Se describen los siguientes casos:

• En la línea abstracta del Ecuador (latitud de 0°), la altitud 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 ocurren dos días del año, durante los equinoccios. Los solsticios son las fechas que el Sol permanece más lejos del cenit, pero también en esos casos es alto en el cielo, alcanzando una altitud de 66,56° al norte o al sur. Todos los días del año, los solsticios incluidos, tienen la misma longitud de 12 horas.
• Arcos de día de solsticio vistos a partir de la latitud 20°. El Sol culmina a 46,56° de altitud en invierno y 93,44° de altitud en verano. En este caso un ángulo superior a 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 al sur en el verano medio. Los días de verano son más largos que los días de invierno, pero la diferencia no es de aproximadamente dos horas y media. El camino diario del Sol está empinado en el horizonte todo el año, dando lugar a un crepúsculo de sólo una hora y 20 minutos por la mañana y por la noche.
• Los arcos del día de solsticio vistos desde la latitud 50°. Durante el solsticio de invierno, el Sol no se eleva más de 16.56° sobre el horizonte a mediodía, sino 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 hasta el norte, comienza a ser llamativa – un poco más de 8 horas en el solsticio de invierno, a más de 16 horas durante el solsticio de verano. Asimismo, es la diferencia en dirección al amanecer y al atardecer. En esta latitud a medianoche (alrededor de 1 a.m. con hora legal de verano) el sol de verano está 16,56° debajo del horizonte, lo que significa que vibración astronómica continúa toda la noche. Este fenómeno se conoce como noches grises, noches cuando no se oscurece lo suficiente para que los astrónomos hagan sus observaciones del cielo profundo. Sobre 60° de latitud, el Sol estaría aún más cerca del horizonte, a sólo 6,56° de él. Entonces... civiles continúa casi toda la noche, sólo un poco de twilight náutico alrededor de la medianoche local. Sobre 66,56° de latitud, no hay puesta de sol en absoluto, un fenómeno conocido como el sol de medianoche.
• Arcos de día de solsticio vistos a partir de la latitud 70°. En el mediodía local el Sol de invierno culmina a −3.44°, y el Sol de verano a 43.44°. De otra manera, durante el invierno el Sol no se levanta sobre el horizonte, es la noche polar. Aún habrá un fuerte crepúsculo. A medianoche local el Sol de verano culmina a 3,44°. De otra manera, no se establece; es el día polar.
• Arcos de día de solsticio vistos desde cualquier poste (latitud 90°). En el momento de los solsticios de verano o de invierno, el Sol tiene 23,44 grados por encima o por debajo del horizonte, respectivamente, independientemente del tiempo del día. Mientras el Sol está levantado (durante meses de verano) circulará alrededor del cielo entero (a la derecha del Polo Norte y en sentido contrario desde el Polo Sur), apareciendo para permanecer en el mismo ángulo desde el horizonte, por lo tanto el concepto de día o de 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 aumentando o estableciendo 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 día de solsticio vistos desde latitudes seleccionadas

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  0° de latitud (el Ecuador)
• 
  20° de latitud
• 
  50° de latitud
• 
  70° de latitud
• 
  90° de latitud (ya sea poste)

Una publicación de 2021 sobre geometría solar calcula primero las 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. Posteriormente, utiliza estas componentes para calcular el ángulo cenital y el azimut solar. El vector solar calculado con intervalos de una hora durante un año completo, tanto diurno como nocturno, permite visualizar eficazmente la trayectoria del Sol.En las siguientes figuras, el origen del sistema de coordenadas es la ubicación del observador, x positivo es Este, y positivo es Norte y z positivo es 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 día y z negativo es noche; el paso de tiempo es de 1 hora.

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

• 
  Rotterdam, Países Bajos
• 
  Ecuador, Primer Meridiano
• 
  Polo Norte
• 
  Polo Sur

• Iluminación (arquitectura)
• Duración del día
• Efecto del ángulo del Sol sobre el clima
• Heliostat
• Sistema de montaje fotovoltaico § Orientación e inclinación
• Pyranometer
• Pyrheliometer
• Acceso solar
• Gráfico del Sol

• U.S. Naval Observatory Sun or Moon Altitude/Azimuth Table
• La geometría simple del sol, la luna y los caminos estrella
• Calculo y visualización de la ruta del sol en Android
• Camino del Sol en realidad aumentada
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