lunes, 8 de febrero de 2010

noticias del espacio

El año 2010 ha empezado con bastantes novedades relacionadas con la exploración espacial.

Por el lado americano la propuesta de Obama para el presupuesto de la NASA ha cambiado radicalmente los planes de la era Bush de volver a la Luna en 2020, cancelando el programa Constellation, con sus lanzadores Ares I y V y el vehículo Orion.

Cancelar un proyecto con sobrecoste, retrasado y con unas miras prácticas escasas, salvo el gustirrinín que debió tener pasajeramente George al anunciarlo en su día, parece una gran noticia. Pero no es que se le haya ocurrido enteramente a Obama. Parece determinante el "informe Augustine", obra de un comite para estudiar las planes de exploración espacial humana por parte de U.S.A., presidido por Norman R. Augustine. Los miembros del comite tienen todos un curriculum excelente y parece que saben algo del asunto. En las observaciones finales, en el punto 9.2 sobre "cuadrar los recursos con las metas" tenemos

Quizá la mayor contribución al riesgo en el programa espacial, tanto humano como financiero, es el pretender alcanzar logros extraordinariamente difíciles mediante recursos inconsistentes con las demandas de tales tareas.
...
En el programa Constellation, el coste estimado del desarrollo del lanzador Ares I creció conforme la NASA determinó que el plan original de usar los cohetes principales de la Lanzadera Espacial en la fase superior del Ares I sería demasiado costoso, en parte por tener que añadir un autoarranque. Pero el motor sustituto tenía menos empuje y menor economía de carburante, con lo que los cohetes sólidos de la primera fase tenían que modificarse para proporcionar mayor empuje. Esto a su vez contribuía a un fenómeno vibratorio, cuya corrección aún está por demostrar plenamente. Esta es la naturaleza de los programas de desarrollo complejo, con presupuestos que más probablemente se recortan en vez de aumentar.
...
Los presupuestos menguantes y unas reservas inadecuadas, no sólo en dolares sino también en tiempo y tecnología, son una fórmula para un casi seguro fracaso en el vuelo espacial tripulado. Si no hay disponibles recursos acordes con las metas establecidas, deben adoptarse nuevas metas.



Sobre la decisión de Obama me ha llamado la atención la opinión de David Mindell, autor de un libro cuya lectura me dió para dos incursiones lunáticas, Luna 1 y Luna 2. En su libro "Digital Apollo" se reflejaba la tensión entre el lado humano, con los astronautas en primer plano, y el tecnológico, con la automatización y el control. La primera visita a la Luna tenía un trasfondo de guerra fría y mediático, pero con lo que han dado de sí las misiones robóticas en Marte, ahora hay mucho a ganar ahorrando el factor humano en la ecuación de explorar el entorno más allá de la baja órbita.

Y en la baja órbita hay mucho que aprender sobre la vida humana en ingravidez en largos periodos, como los que requeriría una estancia lunar permanente o un viaje a Marte. La gran beneficiada de los nuevos planes va a ser la Estación Espacial Internacional, cuya vida se prolongará hasta 2020. De acuerdo al administrador de la NASA y ex-piloto de transbordador Charlie Bolden


Empezaremos a usar la Estación Espacial Internacional (ISS) como el laboratorio nacional que se imaginó. Haremos uso pleno de su increible potencial, mejorando nuestro uso de sus capacidades de investigación y desarrollo a bordo.
...
Hay mucho por conocer antes de aventurarse con seguridad lejos de la baja órbita terrestre de forma prolongada.
...
También instalaremos instrumentos de observación en la ISS para ampliar el conocimiento de nuestro planeta y usar esta plataforma para probar futuras tecnologías de exploración.


Precisamente ayer despegaba la misión STS-130 de la lanzadera espacial, la quinta última. Y en ella se plasma la colaboración internacional, en este caso de USA y la Unión Europea, o la NASA y la ESA, pues el Endeavour lleva en sus bodegas el Nodo 3, Tranquility, y la espectacular Cupola que se aprecia en el logo de la misión. Estas dos piezas se han construido en Europa principalmente por Thales Alenia Italia ( de ahí el italiano Cupola, supongo que por Cúpula), y como se indica en la nota de prensa esto se enmarca en el acuerdo de intercambio de la ESA con la NASA por lanzar ésta el Columbus. Bueno, la industria europea puede presumir. Es interesante el anterior documento de la misión STS-130 pues hay fotografías de los citados módulos. En una foto se ve la estructura de la Cupola en octubre de 2002, tras ser forjada en una sola pieza en Francia. El acuerdo de desarrollo del nodo 3 fué en 1997. Se ve que esto requiere mucho tiempo, ¡como para no extender al máximo el tiempo de vida de la ISS!.

Y hablando de espacio y Europa, puede correr el cava y el champan, y tañer las campanas, y festejar cual carnaval por las calles que ... ¡Galileo vive!

No es que el magnífico científico italiano se levante de entre los muertos, pero es casi tan increible, tras años de demoras, más que nada de tipo politico-económico, el sistema europeo de navegación por satélite parece despegar definitivamente. A primeros de enero se anunció, y se han firmado el 27 de enero tres contratos, uno para la construcción de 14 satélites a OHB (segmento espacial), otro para el soporte del sistema industrial a Thales Alenia, y otro a Arianespace para servicios de lanzamiento. En representación de la Comisión Europea firma los contratos la ESA. Faltan por asignar otros contratos, pero al menos parece que se ha superado el parón de tantos años, y quizá lo que tenía que estar operativo en teoría este año (una teoría muy pasada de moda), pueda con suerte estar en marcha en 2015.

lunes, 14 de diciembre de 2009

código Octave

Como epílogo a la ecuación del tiempo copiaré el código Octave usado para obtener las gráficas de las entradas de la ecuación del tiempo, duración del día solar y analema. Además ese código genera varias tablas con los datos numéricos calculados. La ruta empleada debería ajustarse según dónde tenga cada uno instalado Octave. Hay un fichero principal, EDTinvocar_todo.txt, que llama a los demás. En Octave la instrucción source permite cargar y ejecutar un fichero. Basta hacer el source del fichero principal, y las gráficas van saliendo con pausas entre ellas. Como mi experiencia con Octave es limitada, es muy posible que la potencia de Octave se pueda usar de maneras mucho mejores, pero en el tema del plotting quizá sirvan los ejemplos, que en el manual de Octave tampoco es que abunden, aunque es "la" referencia a consultar siempre. El código puede usarse libremente bajo la única responsabilidad de cada uno (at your own risk), sin ninguna garantía de que sea útil ni de que sea correcto, ni de que no perjudique la salud física o mental. Disclaimer total.
Por cierto, para ver código fuente en el navegador, con las líneas largas ocupando una sola línea, es muy recomendable desactivar los estilos (suele ser en el menú Ver/Estilo).

EDTinvocar_todo.txt

#source("c:/octave/EDT/EDTinvocar_todo.txt");
source("c:/octave/EDT/EDTfunciones.txt");
source("c:/octave/EDT/EDTcalculo_principal.txt");
source("c:/octave/EDT/EDTgrafica_EDT_EEX_EIE.txt");pause(5);
source("c:/octave/EDT/EDTgrafica_lambda_alfa_gr.txt");pause(5);
source("c:/octave/EDT/EDTgrafica_M_nu_gr.txt");pause(5);
source("c:/octave/EDT/EDTgrafica_EDT_DiaSolar.txt");pause(5);subplot(1,1,1);
source("c:/octave/EDT/EDTgrafica_analema.txt");pause(2);

EDTfunciones.txt

#source("c:/octave/ecuTiempo.txt")
format long
global incliECLI=23.43928108*pi/180 #23°26'21".4119 (sin(incliECLI)=0.397776995) inclinación de la eclíptica
global anyotropico=365.242190402 # en días solares medios
global anyosidereo = 365.256363004 # en días solares medios, en la época J2000
global excentricidadTierra = 0.016729

global factorEDTsegrad = (24*60*60)/(2*pi) # escala vertical dif. angular (rad) <-> tiempo (s)
global factorEDTminrad = (24*60)/(2*pi) # escala vertical dif. angular (rad) <-> tiempo (min)
global omega_T = 2*pi / anyotropico # fecuencia angular del Sol Ecuatorial Medio, sistema equinoccial, rad/dia
global omega_S = 2*pi / anyosidereo # fecuencia angular de la anomalía media M, sistema orbital, rad/dia
global omega_P = omega_S*(1-(anyotropico/anyosidereo)); #frecuencia angular de precesión de los equinoccios, rad/dia

#{
La anomalía Excentrica E se calcula en base a la anomalía Media M,
y a la excentricidad e de la órbita, mediante la ecuación de Kepler
M = E - e sen(E)
#}
function ret = anomaliaExcentrica (anomaliaMedia, excentricidad)
fsol = @(x) (x - excentricidad *sin(x) - anomaliaMedia);
ret = fsolve(fsol,anomaliaMedia);
endfunction

#{
La anomalía verdadera, nu, se relaciona con la anomalia Excentrica E,
y la excentricidad e de la órbita, mediante
tan(nu/2)=sqrt( tan(E/2) * (1+e)/(1-e) )
Aqui se obtiene en función de la anomalía media M.
nu-M es periodica de periodo 2*pi.
Si M0=M-n*2*pi tal que 0<=M0<2*pi entonces
nu = nu0-M0+M = nu0 + n*2*pi
#}
function retv = anomaliaVerdadera (M, exc)
retv = zeros(1,length(M));
for i = [1:length(M)]
n = sign(M(i))*abs(floor(M(i)/(2*pi)));
M0=M(i)-n*2*pi;
E = anomaliaExcentrica(M0, exc);
if (E == pi) ret0 = pi;
elseif (E < pi) ret0 = 2*atan(sqrt((1+exc)/(1-exc))*tan(E/2));
elseif (E > pi) E = 2*pi-E; ret0 = 2*(pi - atan(sqrt((1+exc)/(1-exc))*tan(E/2)));
endif
retv(i) = ret0 + n*2*pi;
endfor
endfunction

#{
Anomalía media correspondiente a una anomalía verdadera dada. Función inversa de anomaliaVerdadera().
#}
function retv = MdeAnomaliaVerdadera (nu, exc)
retv = zeros(1,length(nu));
for i = [1:length(nu)]
n = sign(nu(i))*abs(floor(nu(i)/(2*pi)));
nu0=nu(i)-n*2*pi;
if (nu0 == pi) E = pi;
elseif (nu0 < pi) E = 2*atan(sqrt((1-exc)/(1+exc))*tan(nu0/2));
elseif (nu0 > pi) E = 2*(pi - atan(sqrt((1-exc)/(1+exc))*tan((2*pi-nu0)/2)));
endif
M = E - exc * sin(E);
retv(i) = M + n*2*pi;
endfor
endfunction

#{
Devuelve 'y' (alfa) Ascension Recta de un punto en la eclíptica con Longitud Eclíptica 'x' (lambda)
y una inclinación 'incli' de la ecliptica.
Por tanto x medida desde el punto de Aries
La diferencia x-y es una función periodica de periodo pi, impar respecto a 0, par respecto a pi/4.
Si x = X+n*pi, con 0<=X<=pi
x-y(x) = X-y(X) --> y(x)=y(X)+n*pi , n = sign(x)*abs(floor(x/pi))
#}
function retv = ARdeLE(xv, incli)
retv = zeros(1,length(xv));
for i = [1:length(xv)]
x = xv(i);
n = sign(x)*abs(floor(x/pi));
x0=x-n*pi; # x0 es X
ret = acos(cos(x0)/sqrt((cos(x0))^2+(sin(x0)*cos(incli))^2)) + n*pi;
retv(i)=ret;
endfor
endfunction

#{
DeClinación (delta) de un punto con Longitud ecliptica 'x' (lambda), para inclinación 'incli' de la eclíptica.
sin(delta)=sin(lambda)*sin(incli)
#}
function retv = DCdeLE(xv, incli)
retv = zeros(1,length(xv));
for i = [1:length(xv)]
x = xv(i);
ret = asin(sin(x)*sin(incli));
retv(i)=ret;
endfor
endfunction

EDTcalculo_principal.txt

#invocada desde EDTinvocarTodo.txt
#{
d: tiempo medido en dias solares medios, desde el 1 de enero de 2009 (d=0 a las 0h de ese día)
sufijo _e para valores en el equinoccio de marzo y sufijo _p para valores en el perihelio
nu anomalía verdadera del Sol, medida en sistema orbital, origen en el perihelio
L Longitud eclíptica del Sol, medida en sistema equinoccial, origen en el punto de Aries
AR_Sol ascension recta del Sol, medida en sistema equinoccial, origen en el punto de Aries
M anomalía media, medida en sistema orbtial, origen en perihelio. Unida al discurrir uniforme del tiempo, y a ECLI.
lamb longitud eclíptica de ECLI (igual en valor a la ascensión recta de ECUA), sistema equinoccial, origen en el punto de Aries.
AR_lamb ascensión recta de ECLI, sistema equinoccial, origen en el punto de Aries
#}
d_ini=-10; # incluiremos unos pocos dias del año anterior
d_fin=370; # y otros pocos del siguiente
dias=[d_ini:d_fin];

# En 2009 el equinoccio de primavera se producirá a las 11h 44m UT del 20 de marzo
d_e=31+28+19+((11+(44/60))/24);

# En http://aom.giss.nasa.gov/srorbpar.html obtenemos para la distancia angular desde el perihelio al nodo ascendente, en grados
AOM2009_gr = 283.05
# El angulo medido (en sistema orbital) desde el perihelio hasta el punto de Aries, en radianes,
nu_e = (360 - AOM2009_gr)*pi/180;
# A partir de este angulo determinamos cuando se pasa por el perihelio, d_p.
# Este angulo coincide con nu_e, la anomalia verdadera en el equinoccio de marzo, cuando el Sol pasa por el punto de Aries
# La anomalia media en el equinoccio es
M_e = MdeAnomaliaVerdadera(nu_e, excentricidadTierra);
# y M_e=(d_e-d_p)*omega_S de donde
d_p = d_e - (M_e/omega_S);
# anomalia media
M = omega_S*(dias-d_p);

nu_e = anomaliaVerdadera(M_e, excentricidadTierra);
nu = anomaliaVerdadera(M, excentricidadTierra);
# La diferencia angular en d= d_e entre ECLI y Sol en el S.R. orbital es igual a(M_e - nu_e),
# y coincide con la diferencia angular vista desde el S.R. equinoccial (lamb_e - L_e), siendo L_e=0
# Por tanto lamb_e es negativo, e igual a
lamb_e=M_e-nu_e
lamb_p = lamb_e + omega_T*(d_p - d_e);

# es importante recordar que lamb se refiere a ECLI visto en el S. R. Equinoccial, moviendose al ritmo omega_T.
lamb = lamb_e + omega_T * (dias - d_e);

# Precisamente en el S.R. Ecuatorial la AR (ascensión recta) de ECUA es igual a lamb de ECLI
AR_ECUA = lamb;

# La longitud ecliptica del Sol, L, seria (nu - nu_e) de no haber precesión. Pero como el equinoccio se mueve
# en sentido contrario al Sol, hay un pequeñisimo incremento de L adicional de modo que
L = nu - nu_e + omega_P * (dias - d_e);
L_e = 0;
L_p = 0 - nu_e + omega_P * (d_p - d_e);

#ascensión recta del Sol
AR_Sol = ARdeLE(L, incliECLI);
AR_Sol_e = ARdeLE(L_e, incliECLI);
AR_Sol_p = ARdeLE(L_p, incliECLI);

#ECUACION DEL TIEMPO EDT
valorEDT = (AR_ECUA - AR_Sol) * factorEDTminrad;
# ascensión recta de ECLI
AR_ECLI = ARdeLE(lamb, incliECLI);
#Ecuación de la inclinación de la eclíptica
valorEIE = -(AR_ECLI - AR_ECUA) * factorEDTminrad;
#Ecuación del centro o de la excentricidad de la órbita
valorEEX = -(AR_Sol - AR_ECLI) * factorEDTminrad;

EDTgrafica_EDT_EEX_EIE.txt

#invocada desde EDTinvocar_todo.txt
plot(dias, valorEDT,"-k;EDT;","linewidth",3, dias,valorEIE,"-b;EIE;",dias,valorEEX,"-r;EEX;",d_e,0,"+b",d_p,0,"+r");
xlabel("días desde el inicio del año 2009");
ylabel("minutos");
title("Gráfica 1 - ecuación del tiempo EDT");
grid("minor");
set (gca (), "xlim", [d_ini-5, d_fin+5]);
set(gca(),"position",[0.15,0.15,0.75,0.75])
legend("show","location","northwest")
set(text(36,1,"equinoccio"),"color","blue")
set(text(0,2,"perihelio"),"color","red")

fid = fopen ("c:/Octave/EDT/tabla_EDT_EEX_EIE.txt", "w");
fdisp(fid,"indice,d,fecha,EDT,EEX,EIE");
for i = [1:length(dias)]
fprintf(fid,"%d,%d,%s,%f,%f,%f\n",i,dias(i),datestr(datenum(2009,1,1)+dias(i),29),valorEDT(i),valorEEX(i),valorEIE(i));
endfor
fclose(fid);

EDTgrafica_lambda_alfa_gr.txt

#invocada desde EDTinvocar_todo.txt
lambd=[0:360];
alfa = ARdeLE(lambd*pi/180, incliECLI)*180/pi;

plot(lambd, lambd-alfa,"-k",0,0,"+k");
xlabel('{\fontsize{12} \lambda (grados)}');
ylabel('{\fontsize{12} \lambda - \alpha (grados)}');
title("Gráfica 2");
text(60,2.75,'{\fontsize{12}oblicuidad de la eclíptica = 23,439º}');
text(0,-0.25,'{\fontsize{12}punto de Aries}');
grid("minor");
set (gca (), "xlim", [-5, 365]);
set(gca(),"position",[0.15,0.15,0.75,0.75])
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_lambda_alfa_gr.png";

fid = fopen ("c:/Octave/EDT/tabla_lambda_alfa_gr.txt", "w");
fdisp(fid,"lambda_gr,alfa_rad,lambda_rad,alfa_gr");
for i = [1:length(lambd)]
fprintf(fid,"%d,%f,%f,%f\n",lambd(i),alfa(i),lambd(i)*pi/180,alfa(i)*pi/180);
endfor
fclose(fid);

EDTgrafica_M_nu_gr.txt

#invocada desde EDTinvocar_todo.txt
M=[0:360];
nu = anomaliaVerdadera (M*pi/180, excentricidadTierra)*180/pi;

plot(M, M-nu,"-k",0,0,"+k");
xlabel('{\fontsize{12} M (grados)}');
ylabel('{\fontsize{12} M - \nu (grados)}');
title("Gráfica 3");
text(50,1.5,'{\fontsize{12}excentricidad = 0,016729}');
text(0,0.2,'{\fontsize{12}perihelio}');
grid("minor");
set (gca (), "xlim", [-5, 365]);
set(gca(),"position",[0.15,0.15,0.75,0.75])
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_M_nu_gr.png";

fid = fopen ("c:/Octave/EDT/tabla_M_nu_gr.txt", "w");
fdisp(fid,"M_gr,nu_rad,M_rad,nu_gr");
for i = [1:length(M)]
fprintf(fid,"%d,%f,%f,%f\n",M(i),nu(i),M(i)*pi/180,nu(i)*pi/180);
endfor
fclose(fid);

EDTgrafica_EDT_DiaSolar.txt

#invocada desde EDTinvocar_todo.txt
difer = zeros(1,length(dias));
for i = [2:length(difer)]
difer(i)=valorEDT(i)-valorEDT(i-1);
endfor
difer(1)=difer(366);
difer=-difer*60;#diferencia dia a dia en segundos CAMBIADA DE SIGNO
diasEnMes=[31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31];
nombreMes=["Ene","Feb","Mar","Abr","May","Jun","Jul","Ago","Sep","Oct","Nov","Dic","Ene"];
diaIniMes=[0,cumsum(diasEnMes)];

subplot(2,1,1);
plot(dias, valorEDT,diaIniMes,valorEDT(-d_ini+1+diaIniMes),'+');
set (gca (), "xlim", [d_ini-5, d_fin+5]);
ylabel("EDT (minutos)");
#set(text(50,18,"ecuación del tiempo"),"color","black");
for i=[0:12] set(text(diaIniMes(i+1)-4,valorEDT(-d_ini+1+diaIniMes(i+1))+5,nombreMes(3*i+1:3*i+3)),"color","black") ;endfor

grid("on");
subplot(2,1,2);
plot(dias,difer,diaIniMes,difer(-d_ini+1+diaIniMes),'+');
set (gca (), "xlim", [d_ini-5, d_fin+5]);

xlabel("días desde el inicio del año 2009");
ylabel(strcat('\Delta D_v (segundos)'));
set(text(52,26,"exceso del día solar verdadero sobre el día solar medio"),"color","black")
set(text(52,23,"valores positivos: días más largos, negativos: días más cortos"),"color","black")
for i=[0:12] set(text(diaIniMes(i+1)-4,difer(-d_ini+1+diaIniMes(i+1))-5,nombreMes(3*i+1:3*i+3)),"color","black") ;endfor
grid("on");

fid = fopen ("c:/Octave/EDT/tabla_EDT_DiaSolar.txt", "w");
fdisp(fid,"indice,d,fecha,EDT_min,difer_s");
for i = [1:length(dias)]
fprintf(fid,"%d,%d,%s,%f,%f\n",i,dias(i),datestr(datenum(2009,1,1)+dias(i),29),valorEDT(i),difer(i));
endfor
fclose(fid);

EDTgrafica_analema.txt

#invocada desde EDTinvocar_todo.txt
#declinacion del Sol en grados
DC_Sol = DCdeLE(L, incliECLI)*180/pi;
DC_Sol_e = DCdeLE(L_e, incliECLI)*180/pi;
DC_Sol_p = DCdeLE(L_p, incliECLI)*180/pi;

# ángulo horario: diferencia angular entre la ascension recta del Sol y de ECUA, Horizontal, en grados
xH=(lamb-AR_Sol)*180/pi;
xH_e=(lamb_e-AR_Sol_e)*180/pi;
xH_p=(lamb_p-AR_Sol_p)*180/pi;

# plot(dias,DC_Sol);pause(2);#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_dias_DC_gr.png";
diasEnMes=[31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31];
nombreMes=["Ene","Feb","Mar","Abr","May","Jun","Jul","Ago","Sep","Oct","Nov","Dic","Ene"];
diaIniMes=[0,cumsum(diasEnMes)];

#plot(xH,DC_Sol,'-k',"linewidth",1,xH_p,DC_Sol_p,'+r',xH_e,DC_Sol_e,'+b')
latN=0 #latitud Norte del punto de observacion
plot(xH,DC_Sol+latN,'-k',"linewidth",1,xH_p,DC_Sol_p+latN,'+r',xH_e,DC_Sol_e+latN,'+b',xH(-d_ini+1+diaIniMes),DC_Sol(-d_ini+1+diaIniMes),'+g')
offx=[-1,-3,-3,-3,+1,+1,-3,-3,+1,+1,+1,+1];
offy=[-1.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5,0.5];
for i=[0:11] set(text(xH(-d_ini+1+diaIniMes(i+1))+offx(i+1),DC_Sol(-d_ini+1+diaIniMes(i+1))+offy(i+1),nombreMes(3*i+1:3*i+3)),"color","black") ;endfor

xlabel("Ángulo entre Sol y meridiano (grados)");
ylabel("Declinación del Sol (grados)");
title("Analema en el Ecuador");
grid("on");
#grid("minor");
set (gca (), "xlim", [-15, 15]);
set (gca (), "ylim", [-30+latN, 30+latN]);
set (gca (), "dataaspectratio", [1, 2, 1]);
set(gca(),"position",[0.15,0.15,0.75,0.75])
set(text(-9,0.5+latN,"equinoccio"),"color","blue")

set(text(-7,-23+latN,"perihelio"),"color","red")
set(text(10,0.5+latN,"OESTE"),"color","black")
set(text(-14,0.5+latN,"ESTE"),"color","black")
set(text(-2,27+latN,"NORTE"),"color","black")
set(text(-1,-27+latN,"SUR"),"color","black")
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_analema.png";
pause(5);
#-----------------------------------------------------------------------------------
# grafica de los analemas a diferentes horas vistos desde una latitud no ecuatorial
source("c:/octave/EDT/EDTfunciones_cambio_coordenadas.txt")
lat=40; #latitud de la observacion
for i=[0:23]
[z,A]= zAhoriz(DC_Sol*pi/180,(xH+15*i)*pi/180,lat*pi/180);z=z*180/pi;A=A*180/pi;
zz{i+1}=90-z;AA{i+1}=A;#zz distancia al horizonte en vez de al cenit, en grados
endfor
plot(AA{1},zz{1},"k",AA{2},zz{2},AA{3},zz{3},AA{4},zz{4},AA{5},zz{5},AA{6},zz{6},AA{7},zz{7},AA{8},zz{8},AA{9},zz{9},AA{10},zz{10},AA{11},zz{11},AA{12},zz{12},AA{13},zz{13},AA{14},zz{14},AA{15},zz{15},AA{16},zz{16},AA{17},zz{17},AA{18},zz{18},AA{19},zz{19},AA{20},zz{20},AA{21},zz{21},AA{22},zz{22},AA{23},zz{23},AA{24},zz{24});
title("analema cada hora a 40º latitud Norte");
xlabel("Azimut desde el Sur (+ Oeste, - Este)(grados)");
ylabel("Altura sobre el horizonte (grados)");
grid("on");
set (gca (), "xlim", [-180, 180]);
set (gca (), "ylim", [-90, 90]);
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_analemas40N.png";
pause(5);
#-----------------------------------------------------------------------------------
lat=-40; #latitud de la observacion
for i=[0:23]
[z,A]= zAhoriz(DC_Sol*pi/180,(xH+15*i)*pi/180,lat*pi/180);z=z*180/pi;A=A*180/pi;
zz{i+1}=90-z;AA{i+1}=A;#zz distancia al horizonte en vez de al cenit, en grados
endfor
plot(AA{1},zz{1},"k",AA{2},zz{2},AA{3},zz{3},AA{4},zz{4},AA{5},zz{5},AA{6},zz{6},AA{7},zz{7},AA{8},zz{8},AA{9},zz{9},AA{10},zz{10},AA{11},zz{11},AA{12},zz{12},AA{13},zz{13},AA{14},zz{14},AA{15},zz{15},AA{16},zz{16},AA{17},zz{17},AA{18},zz{18},AA{19},zz{19},AA{20},zz{20},AA{21},zz{21},AA{22},zz{22},AA{23},zz{23},AA{24},zz{24});
title("analema cada hora a 40º latitud Sur");
xlabel("Azimut desde el Norte (+ Oeste, - Este)(grados)");
ylabel("Altura sobre el horizonte (grados)");
grid("on");
set (gca (), "xlim", [-180, 180]);
set (gca (), "ylim", [-90, 90]);
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_analemas40S.png";
pause(5);
#-----------------------------------------------------------------------------------
lat=0; #latitud de la observacion
for i=[0:23]
[z,A]= zAhoriz(DC_Sol*pi/180,(xH+15*i)*pi/180,lat*pi/180);z=z*180/pi;A=A*180/pi;
zz{i+1}=90-z;AA{i+1}=A;#zz distancia al horizonte en vez de al cenit, en grados
endfor
plot(AA{1},zz{1},"k",AA{2},zz{2},AA{3},zz{3},AA{4},zz{4},AA{5},zz{5},AA{6},zz{6},AA{7},zz{7},AA{8},zz{8},AA{9},zz{9},AA{10},zz{10},AA{11},zz{11},AA{12},zz{12},AA{13},zz{13},AA{14},zz{14},AA{15},zz{15},AA{16},zz{16},AA{17},zz{17},AA{18},zz{18},AA{19},zz{19},AA{20},zz{20},AA{21},zz{21},AA{22},zz{22},AA{23},zz{23},AA{24},zz{24});
title("analema cada hora en el ecuador");
xlabel("Azimut desde el Sur (+ Oeste, - Este)(grados)");
ylabel("Altura sobre el horizonte (grados)");
grid("on");
set (gca (), "xlim", [-180, 180]);
set (gca (), "ylim", [-90, 90]);
#print -dpng "c:/octave/EDT/grafica_analemasEcuador.png";

fid = fopen ("c:/Octave/EDT/tabla_analema.txt", "w");
fdisp(fid,"indice,d,fecha,difAR_gr,DC_gr,AR_Sol_gr,AR_ECUA_gr");
for i = [1:length(dias)]
fprintf(fid,"%d,%d,%s,%f,%f,%f,%f\n",i,dias(i),datestr(datenum(2009,1,1)+dias(i),29),xH(i),DC_Sol(i),AR_Sol(i)*180/pi,AR_ECUA(i)*180/pi);
endfor
fclose(fid);


EDTfunciones_cambio_coordenadas.txt

#{
paso de coordenadas ecuatoriales declinación delta, y ángulo horario t,
a coordenadas horizontales distancia cenital z y Azimut A, para una latitud lat
delta y t pueden ser vectores, pero de la misma dimensión. lat se considera escalar.
#}
function [z, A] = zAhoriz(delta, t, lat)
z = zeros(1,length(delta))';
A = zeros(1,length(delta))';
slat=lat;#valor original con signo
lat=abs(lat);#valor absoluto
for i = [1:length(z)]
if (slat<0) t(i)=t(i)+pi; #para latitudes negativas hay desfase pi en el angulo horario
endif
if (t(i)<0 || t(i)>2*pi)
t(i)=mod(t(i),2*pi); # reducimos SIEMPRE el ángulo horario t al intervalo [0,2*pi]
endif
z(i)=acos(sin(lat)*sin(delta(i))+cos(lat)*cos(delta(i))*cos(t(i)));

if (abs(z(i)) < 0.0001) sA=0; # para z=0 el valor de A es indefinido, elegimos A=0.
else sA=cos(delta(i))*sin(t(i))/sin(z(i)); # sA es sin(A)
cA=(-cos(lat)*sin(delta(i))+sin(lat)*cos(delta(i))*cos(t(i)))/sin(z(i)); #cA es cos(A)
endif
# para obtener A(i) en [0,2*pi]
# cuadrante coseno seno para angulo inverso usar
# 1 + + acos o asin
# 2 - + acos o pi-asin
# 3 - - 2*pi-acos o pi-asin
# 4 + - 2*pi-acos o 2*pi+asin
# En octave asin toma valores en [-pi/2,pi/2], y acos toma valores en [0,pi], para el dominio [-1,1].
if (sA>0) A(i)=acos(cA);
elseif (sA<0) A(i)=2*pi-acos(cA);
else A(i)=0;
endif
#Pero nos interesa A(i) en [-pi,pi]
if (A(i)>pi) A(i)=A(i)-2*pi;
endif
if (slat<0) z(i)=pi-z(i);
# ahora se deshace el desfase pi en latitudes negativas.
# Queremos seguir teniendo las 12h del mediodia a 0º de acimut, que ahora se cuenta desde el Norte, no desde el Sur
# y asi la grafica de analemas para latitudes sur queda bien
if (A(i)<=0) A(i)=A(i)+pi;
else A(i)=A(i)-pi;
endif
endif
endfor
endfunction

miércoles, 9 de diciembre de 2009

analema

Aquí va otra secuela de la anterior entrada sobre la ecuación del tiempo, EDT. En ella se citaba el analema, la figura que puede construirse sobre el cielo con una cámara, un tripode, un reloj, y paciencia. Se trata de fotografiar exactamente la misma zona del cielo, todos los días del año (cada semana puede servir también), a la misma hora de nuestro buen reloj, que marca las horas "normales" de tiempo ecuatorial medio.

Como alternativa a la fotografía, vamos a calcular la posición del Sol a una misma hora de cada día, eligiendo una especialmente adecuada, las 12h de un buen reloj ajustado a la hora local de nuestro meridiano.

La posición del Sol a esa hora puede determinarse por dos coordenadas angulares. Una es lo que se denomina ángulo horario, que en nuestro caso coincide con la EDT expresada como ángulo en vez de en minutos de tiempo (recordando que 24h corresponden a 360º). Ese ángulo es la separación, en ascensión recta, entre el Sol verdadero y nuestro meridiano local, pues justo a las 12h de reloj en ese meridiano culmina el Sol Ecuatorial Medio, ECUA. La otra coordenada necesaria es la declinación del Sol.

Mostramos aquí de nuevo la Figura 2 de la citada entrada, copiando la explicación de la misma




  • A es nuestro origen de medida de arcos en el sistema equinoccial, el punto de Aries.
  • AB es un arco sobre la eclíptica, cuya magnitud λ da la longitud eclíptica del punto B.
  • AC es un arco sobre el ecuador, cuya magnitud α da la ascensión recta del punto B, igual a la del punto C, que es la proyección de B sobre el ecuador, dado que el arco BC es parte de un meridiano celeste.
  • Los lados AB y AC forman un ángulo ε igual a la inclinación (u oblicuidad) de la eclíptica.


Podemos añadir ahora que la declinación δ del punto B es el ángulo correspondiente al arco BC. En nuestro caso el punto B es el ocupado por el Sol, y la posición de este se fija inequívocamente con las dos coordenadas α, ascensión recta, y δ, declinación.

La trigonometría esférica nos proporcionaba, como se vió, una relación entre α y λ :



Pues bien, también nos ofrece esta otra relación entre δ y λ:



De modo que a los cálculos para obtener EDT, que nos daban α, les añadimos una función más para calcular δ en función de λ, que dependía a su vez del tiempo, y tenemos las dos coordenadas del Sol para cada día del año, a las 12h local, lo que nos lleva a la siguiente gráfica del Analema.



Esta típica figura de 8 desigual corresponde al analema visto desde un lugar en el ecuador terrestre. Nos podemos imaginar tumbados allí, en el suelo plano, boca arriba, con la cabeza hacia el Norte, los pies hacia el Sur, el brazo derecho extendido hacia el Oeste, el brazo izquierdo extendido hacia el Este, divididos imaginariamente en dos mitades por la línea meridiana que corre de Norte a Sur. Sobre nosotros el cenit corresponde justamente al origen de coordenadas (0,0) en la gráfica anterior. En el eje de abscisas se representa el ángulo horario del Sol, antes mencionado. Respecto a la Tierra, la esfera celeste va de Este a Oeste. Si a las 12h de buen reloj local el Sol está al Oeste del meridiano, es que ya ha culminado, su hora solar verdadera es mayor de las 12h, y EDT es positiva. Cuando el Sol se sitúa al Este es cuando la EDT (y la abscisa en la gráfica) es negativa. En cuanto a la declinación, mostrada en el eje de ordenadas, se toma como positiva hacia el Norte y como negativa hacia el Sur.

Si en vez de estar en el ecuador imaginamos que nos deslizamos sobre el meridiano hacia el Norte hasta una latitud de 40º, el origen (0,0) se nos habrá movido respecto a nuestro nuevo cenit justo 40º hacia el Sur. Si quisieramos poner las coordenadas referidas al nuevo cenit, deberíamos cambiar los valores del eje de ordenadas. El punto de cruce del 8 del analema está en el ecuador a unos 9º al norte del cenit. En la latitud de 40º Norte, ese mismo punto estará a 31º al Sur del cenit de esa latitud, o a 59º sobre el horizonte Sur. En la latitud de 40º Sur, ese punto estaría a 49º al norte del cenit, o 41º sobre el horizonte Norte. Esto nos podría ayudar a estimar la latitud a partir de una fotografía de un analema.

Pero en las fotografías el analema suele salir inclinado respecto al horizonte, no perpendicular como es el caso mostrado en la gráfica. La "culpa" es dos dos factores. Por un lado las fotos suelen hacerse en latitudes medias septentrionales. Además se han tomado por lo general a horas tempranas o tardías, no a las 12h hora local. Eso facilita que el analema esté cerca del horizonte y salga en la foto junto a algún rasgo del paisaje.

El analema puede considerarse una figura "adherida" a la esfera celeste. El Sol se desliza por ella a lo largo del año, pero además cada día la rotación terrestre hace dar vueltas al analema desde el Este al Oeste por el cielo visible, y del Oeste al Este bajo el horizonte.

¿Cómo se vería el analema en una latitud de 40º Norte a lo largo de un día? Nuestra amiga la trigonometría esférica nos permite pasar de unas coordenas ecuatoriales, como la declinación y ángulo horario, a las llamadas coordenadas horizontales, que nos situan un punto respecto al terreno con dos coordenadas angulares: la distancia o ángulo cenital y el azimut. En lugar de la distancia cenital puede usarse la altura sobre el horizonte.

En las dos gráficas siguientes se muestra el analema cada hora del día para una latitud 40ºN y luego para otra 40º Sur. En el eje de abscisas se usa un azimut particular en cada caso, midiendo desde el Sur en la latitud Norte, y desde el Norte en la latitud Sur, para que el origen 0 de azimut corresponda a la hora del mediodía medio, las 12h de reloj local. Desde ese origen, en ambas gráficas los valores positivos de azimut corresponden a ir al Oeste (y a horas despues de las 12h), y los valores negativos de azimut a ir hacia el Este (y a horas antes de las 12h). En el eje de ordenadas se ha preferido, en vez de la distancia cenital, representar la altura sobre el horizonte, siendo éste el origen 0, con valores positivos para el hemisferio visible, y valores negativos para el hemisferio oculto bajo el horizonte.





Aunque estas gráficas dan una idea del aspecto del analema a cada una de las 24 horas del día, son representaciones cartesianas de dos coordenadas esféricas, que habría que deformar para "pegarlas" sobre la esfera celeste o colocarlas sobre una fotografía. Las coordenadas esféricas son especialmente malas cerca de los puntos singulares. Para las coordenadas horizontales (distancia cenital o altura y azimut) los puntos singulares son el cenit y el nadir, a una altura sobre el horizonte de +90 y -90º respectivamente, pero con azimut indeterminado, pues en la inmediata proximidad de ambos puntos hay otros con cualquier valor de azimut que queramos. Este "mal comportamiento" se ve de forma espectacular al representar la gráfica del mismo tipo que las dos anteriores, pero para el ecuador.



En la primera gráfica de esta entrada el analema se representaba en unas coordenadas ecuatoriales cuyos puntos singulares son los polos, pero que se portan muy bien cerca del cenit. Sin embargo en esta última gráfica la figura del analema a las 12h es casi irreconocible, pues está en las proximidades del cenit, punto singular para las coordenadas horizontales. Sin embargo lo que se visualiza muy bien aquí es que la salida y la puesta del analema sobre el horizonte es perpendicular al mismo. En el ecuador el eje de giro terrestre es paralelo a la línea meridiana, y todos los objetos celestes ascienden rectos (perpendiculares) sobre el horizonte al Este, describen un semicirculo y se ponen por el horizonte al Oeste, formando también un ángulo recto con él. En esa latitud a la esfera celeste se le denomina esfera recta. Precisamente la ascensión recta se mide sobre esos circulos en que los astros dan vueltas, perpendiculares al horizonte ecuatorial.

martes, 8 de diciembre de 2009

Duración del día solar

Tras la entrada dedicada a la ecuación del tiempo pensaba emplear mi idem en otra cosa, pero hay alguna otra información útil extraible de mi querida EDT. Por ejemplo cómo varía la duración del día solar verdadero respecto al día solar medio.

Usando tv para tiempo solar verdadero, tm para el tiempo solar medio, la ecuación del tiempo es

EDT= tv - tm

Podemos poner esto mismo así

tm = tv - EDT

Consideremos dos culminaciones sucesivas sobre nuestro meridiano del Sol verdadero, de un mediodía al siguiente. En la primera culminación tenemos que

tm1 = tv1 - EDT1    (1)

y en la siguiente, un día solar verdadero despúes

tm2 = tv2 - EDT2    (2)

En ambos casos tv1=tv2=12h, es el mediodía, y la diferencia entre los tiempos de "reloj de 24h" de ambas culminaciones es justo la diferencia de los valores de EDT, cambiada de signo:

tm2-tm1 = - (EDT2-EDT1)    (3)


Planteado así, a (2) le hemos restado (1) y tomado tv1=tv2=12h con lo que al restar ese término desaparece y llegamos a (3). Esto es correcto tomando valores de tiempos entre 0 y 24h, que es lo que se ha supuesto.

Adoptando alternativamente un criterio de cómputo continuo del tiempo (sin vuelta a cero a las 24h), si en la primera culminación el tiempo solar verdadero era de 12h "verdaderas", en la siguiente (un día solar verdadero después) será de 12+24=36h "verdaderas". También el tiempo solar medio se incrementará casi 24h (de las "normales"). Lo que nos interesa en este caso no es tm2-tm1, sino tm2-tm1-24h. El resultado final será el mismo. Conviene tener presente que el valor de tm y de EDT se expresa en unidades como días, horas o segundos "normales", mientras que el valor de tm se expresa en unidades "verdaderas", que no usamos en la práctica precisamente por ser variables.

En definitiva, la diferencia de la duración del día solar verdadero Dv respecto al día solar medio Dm, está dada por la ecuación (3):

ΔDv = Dv -Dm = - (EDT2-EDT1)

Por tanto de nuestra ecuación del tiempo sacamos cómo son de largos o cortos los días solares verdaderos respecto a las 24h de reloj. Podemos hacer la diferencia de la EDT en un día con respecto al día anterior, para cada día. Esto es muy aproximadamente la derivada de EDT respecto al tiempo, cuando este se mide en unidades de día solar medio, que es como se representa EDT habitualmente. Por tanto ΔDv es la derivada de EDT respecto al tiempo, cambiada de signo. Con nuestro Octave podemos ver en la siguiente gráfica la EDT arriba y debajo ΔDv.



En efecto se aprecía que el máximo de ΔDv corresponde a la mayor pendiente negativa de EDT, el mínimo de ΔDv corresponde a la mayor pendiente positiva de EDT, y que ΔDv se anula cuando EDT alcanza sus máximos o mínimos.

Los días solares más cortos, con unos 21 segundos de menos, se dan hacia el 17 de septiembre, y desde entonces van creciendo rápidamente en duración hasta su máximo hacia el 23 de diciembre en que llegan a casi 30 segundos de más. En estas fechas se encuentra la máxima pendiente de EDT positiva y negativa respectivamente. La contribución mayor a la pendiente de EDT es de EIE (ver la figura de la entrada anterior), pero además en esta zona del año, sobre todo al final, EEX suma su variación a la de EIE de forma muy acusada, lo que propicia el máximo de ΔDv aún mayor en valor absoluto que el mínimo.

Hay cuatro fechas en que ΔDv se anula, y por tanto el día solar verdadero dura lo mismo que el día solar medio: el 11 de febrero, el 14 de mayo, el 26 de julio y el 3 de noviembre. Pero esto no implica ni mucho menos que coincidan los tiempos solar verdadero y solar medio, lo que sucede cuando EDT=0, circunstancia que se da el 15 de abril, el 13 de Junio, el 1 de septiembre y el 25 de diciembre.

miércoles, 25 de noviembre de 2009

ecuación del tiempo

Se denomina Ecuación Del Tiempo la diferencia entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio:

EDT = tiempo solar verdadero - tiempo solar medio

Suele representarse en una gráfica que muestra esa diferencia a lo largo de los dias del año. Según mis cálculos en 2009 es más o menos así:



En la Gráfica 1 la curva negra representa la ecuación del tiempo. La discrepancia entre el tiempo solar verdadero (el del reloj de Sol) y el tiempo solar medio (el del buen reloj convencional) tiene dos causas calculables de forma separada, que llevan aparejadas su ecuación correspondiente:

1- Ecuación de Inclinación de la Eclíptica (EIE). La órbita de la Tierra alrededor del Sol está contenida en un plano inclinado respecto al plano perpendicular al eje de rotación terrestre.

2- Ecuación de Excentricidad de la órbita (EEX). La órbita de la Tierra alrededor del Sol no es circular, sino una elipse con cierta excentricidad.

Estas dos contribuciones, EIE y EEX, que sumadas dan la ecuación del tiempo EDT se muestran también en la Gráfica 1.

(ojo, puede encontrarse en libros o webs la EDT definida con el signo cambiado, y la gráfica por tanto "patas arriba")

Visualizando la EDT con la Esfera Celeste

El cálculo de EDT requiere manejar dos sistemas de referencia diferentes. En la Figura 1 se ilustra el punto de vista geocéntrico: la Tierra (pequeña esfera azul claro) en el centro, girando sobre su eje. La esfera celeste (rejilla gris) con sus "estrellas fijas", no mostradas en la Figura 1. Y sobre esa esfera el Sol desplazandose a lo largo del año alrededor de la Tierra sobre la eclíptica (en rojo), en el mismo sentido de la rotación terrestre.

Vemos uno de los dos sistemas de referencia a usar en los cálculos, el que llamaré sistema equinoccial. Su centro, el de la Tierra. Su eje Z coincide con el eje de rotación terrestre, y el plano perpendicular al mismo determina sobre la esfera el ecuador celeste (en azul). Este corta a la eclíptica en dos puntos: el punto de Aries, por donde pasa el Sol el día del equinoccio de marzo, y el punto de Libra, por donde pasa el Sol el día del equinoccio de septiembre. El eje X se elige para que pase siempre por el punto de Aries. El eje Y se elige para formar un triedro a derechas. Debido a la precesión de los equinoccios nuestros ejes se mueven muy lentamente respecto a las "estrellas fijas".




La Figura 1 nos ayuda a "ver" la ecuación del tiempo. El tiempo solar medio discurre al ritmo fijo de un buen reloj, y su valor lo determina por definición un punto imaginario, el Sol Ecuatorial Medio, en adelante ECUA, que se mueve uniformemente sobre el ecuador celeste dando una vuelta completa respecto a nuestro sistema equinoccial en un año trópico. Si ajustamos nuestro buen reloj a la hora local del meridiano en que nos encontramos, el reloj debe marcar las 12h del día (solar medio) cuando ECUA culmine sobre nuestro meridiano superior. Hemos marcado este meridiano en gris sobre la superficie terrestre, y también el correspondiente sobre la esfera celeste, pasando por ECUA.

En la situación recogida en la Figura 1, el Sol aún no ha culminado sobre nuestro meridiano cuando justo lo hace ECUA. La Tierra aún tiene que girar hasta que nuestro meridiano "alcance" al Sol, y este culmine, momento en que será el mediodía, las 12h de tiempo solar verdadero. El tiempo solar verdadero va retrasado, a las 12h del tiempo solar medio aún no son las 12h del tiempo solar verdadero, luego EDT es negativa. ¿Por cuantos minutos?

Justo cuando ECUA culmina sobre nosotros, medimos la separación angular sobre el ecuador entre nuestro meridiano, y el meridiano en que se encuentra el Sol, un cuarto del cual se muestra en rojo oscuro en la Figura 1 y sirve para "proyectar" el Sol hasta el punto Sol2 sobre el ecuador celeste.

En ese momento sabemos la diferencia angular entre ECUA y Sol2. La relación entre diferencia angular y temporal se basa en que los 360º corresponden a 24 horas. Por ejemplo, si el Sol va 1º por delante de ECUA, resulta que el tiempo solar verdadero va retrasado 4 minutos horarios respecto al tiempo solar medio. A las 12h de nuestro reloj el Sol culmina en el meridiano cuyo tiempo solar medio local es 12h y 4 minutos (ECUA ya culminó sobre ese meridiano que está 1º al Este del nuestro). Por tanto EDT = -4 minutos.

Esta pesada discusión es la base para el factor de conversión a usar en nuestros cálculos para llegar de cantidades angulares a tiempos expresados en minutos sobre el eje vertical de nuestra gráfica de EDT: 360º o 2π radianes corresponden a 1440 minutos de tiempo solar medio, o a 86400 segundos como el definido en el Sistema Internacional de unidades. También nos indica el curioso e importante hecho de que un adelanto posicional (y angular) del Sol respecto a ECUA, implica un retraso temporal del tiempo solar verdadero respecto al tiempo solar medio.

Dos problemas

Para calcular EDT debemos saber, en función del día del año, donde está ECUA y dónde el Sol, establecer su diferencia angular medida sobre el ecuador, y expresar la misma en términos de minutos de tiempo.

ECUA se mueve uniformente sobre el ecuador, pero no así Sol2, la proyección del Sol sobre el ecuador celeste. Hay dos problemas matemáticos a resolver:

PM1- Mediante la geometría esférica, dado un punto sobre la eclíptica, obtener su proyección sobre el ecuador.

PM2- Mediante las leyes de la mecánica determinar cómo se mueve la Tierra alrededor del Sol, y saber así dónde, sobre la esfera celeste, está el Sol visto desde la Tierra.

Resolución de PM1

La resolución de PM1 es "fácil" y además es la única influencia para determinar la ecuación de la inclinación de la eclíptica, EIE.

En la Figura 2 tenemos un triangulo esférico determinado por 3 puntos A, B y C.



  • A es nuestro origen de medida de arcos en el sistema equinoccial, el punto de Aries.
  • AB es un arco sobre la eclíptica, cuya magnitud λ da la longitud eclíptica del punto B.
  • AC es un arco sobre el ecuador, cuya magnitud α da la ascensión recta del punto B, igual a la del punto C, que es la proyección de B sobre el ecuador, dado que el arco BC es parte de un meridiano celeste.
  • Los lados AB y AC forman un ángulo ε igual a la inclinación (u oblicuidad) de la eclíptica.

Los tres arcos, AB, AC y BC son parte de sendos círculos máximos de la esfera celeste. El punto D sobre el ecuador es tal que determina un arco AD igual en magnitud al arco AB: la ascensión recta de D es igual a la longitud eclíptica de B. En el caso de la Figura 2 se ve claramente que D está a la derecha de C pues AC es menor que AB.

La trigonometría esférica proporciona la siguiente relación entre λ y α para un ε dado:


o esta otra equivalente pero sin la problemática tangente y sus visitas al infinito:


Esta relación se usa tanto en el cálculo directo de EDT, como en el cálculo desglosado de EIE por un lado y EEX por otro.

La Gráfica 2 muestra la diferencia entre λ y α como función de λ:



La periodicidad y el signo de la curva en cada parte de la Gráfica 2 se pueden "seguir" directamente observando la Figura 2. En A es donde más rápidamente se separa la eclíptica del ecuador. Cerca de A el punto B se mueve en parte según el ecuador, y en parte hacia arriba, mientras D sobre el ecuador cubre el mismo arco, AD = AB . La proyección de B sobre el ecuador, el punto C, se retrasa rápidamente: AB = λ > α = AC , es decir, λ-α es positiva y crece.

Pero a 90º desde A la eclíptica llega a su máxima incursión hacia el norte, allí es justamente paralela al ecuador. Alrededor de esa zona un arco dado sobre la eclíptica, al proyectarse sobre el ecuador, se "abre" hasta un arco mayor. Por eso el retraso inicial de C respecto a D va disminuyendo según D (y B) avanzan. Cuando D y B llegan a los 90º desde A, C coincide con D, la diferencia se anula. Tanto sobre la eclíptica como sobre el ecuador se ha completado un cuarto de círculo máximo, λ=α=90º. Se ha completado el primer lóbulo de los cuatro que tiene la Gráfica 2.

Al seguir avanzando dentro aún de la zona de "paralelismo eclíptica-ecuador", C adelanta a D. Pero cuando se va llegando al otro punto de cruce entre eclíptica y ecuador la tendencia vuelve a invertirse, D reduce su distancia a C y le alcanza en el punto opuesto a A, al cubrirse el primer semicírculo, λ=α=180º, y completarse un periodo de la curva mostrada en la Gráfica 2.

Resolución de PM2

En cuanto al otro problema, PM2, tiene una parte física y otra puramente matemática. Su resolución se expresa adecuadamente desde un punto de vista heliocéntrico en un sistema de referencia inercial, que llamaremos sistema orbital, en el que aplicamos las leyes de la mecánica de Newton, con simplificaciones adecuadas. La más drástica, considerar únicamente un sistema de dos cuerpos, el Sol y la Tierra. Entre las consecuencias de tales leyes está que la órbita de la Tierra alrededor del Sol tiene la forma de una elipse (con el Sol en uno de los focos, 1ª ley de Kepler), recorrida con momento angular (y velocidad areolar) constante (2ª ley de Kepler). Esto implica una mayor velocidad lineal cerca del Sol, y menor lejos. La Figura 3 muestra los elementos de la solución del problema, aunque de una forma no realista, pues la excentricidad de la elipse mostrada es mucho mayor que la real de la órbita terrestre.



El Sol es el origen de los ejes del sistema orbital, con el eje de abcisas dirigido hacia el perihelio, que va a ser el origen de medida de ángulos, y con el eje de ordenadas a 90º en el sentido del movimiento de la Tierra. El paso del tiempo va asociado a la posición de un punto M que se mueve uniformemente sobre el círculo rojo, que tiene como diámetro el eje mayor de la elipse. Por tanto el ángulo PCM, llamado anomalía media, M, crece proporcionalmente al tiempo, y completa una vuelta en un año sidéreo, el mismo tiempo en que la Tierra completa su vuelta al Sol visto desde nuestro sistema orbital.

La aplicación de las leyes de la mecánica, además de deducir la forma elíptica de la órbita, conduce a una relación entre la anomalía media M y la llamada anomalía excéntrica E, el ángulo PCE determinado por el punto E de la Figura 3, el centro C de la elipse, y el perihelio P. Resulta que, siendo e la excentricidad de la elipse:


Esta ecuación implícita en E no es resoluble analíticamente, hay que recurrir a aproximaciones o a métodos numéricos para obtener el valor de E para cada M.

¿Y que tiene el punto E de especial? En la Figura 3 se aprecia que la posición del punto E sobre la circunferencia roja está en la misma vertical que pasa por el punto T (la Tierra) sobre la elipse. Hay una relación, deducible de la geometría de la elipse, entre la anomalía excéntrica E, y la llamada anomalía verdadera ν, que es el ángulo PST. Esa relación es :


Por tanto a partir del tiempo t desde el paso por el perihelio se calcula M, a partir de M se calcula E, y a partir de E se calcula ν lo que nos permite saber dónde está la Tierra en ese momento.

La Gráfica 3 muestra la diferencia entre M y ν a lo largo de una órbita completa.



Mientras que M se mueve a velocidad constante sobre el círculo rojo de la Figura 3, la Tierra va más rápida cerca del perihelio y más lenta cerca del afelio. M y T arrancan a la vez al paso por el perihelio, nuestro origen de tiempo y de ángulos, pero enseguida el punto T se "adelanta" al punto M (M < ν). Luego, según se acerca al afelio, T va cada vez más despacio, M a su ritmo constante le va cogiendo y le pilla justo al llegar al afelio (M=180º), y luego le pasa, quedando T rezagado (M > ν). Pero de nuevo al acercarse el perihelio T aumenta su velocidad, va acortando las distancias con M, hasta coincidir de nuevo en el perihelio. Y vuelta a empezar.

Ensamblado de las soluciones

Para obtener EDT solo nos falta un "pequeño detalle", ensamblar el resultado de PM2, obtenido en el sistema de referencia orbital (con origen de ángulos en el perihelio y carácter heliocéntrico), con nuestro sistema equinoccial en el que realizamos la resolución de PM1 (con origen de ángulos en el punto de Aries y carácter geocéntrico). Para ello es esencial conocer la distancia angular entre ambos origenes.

Podemos usar los parámetros de la Tierra calculables desde el formulario web disponible en http://aom.giss.nasa.gov/srorbpar.html. Los valores entre 2000 y 2010 son

Parámetros orbitales para la Tierra

Long. del
Año Excentri Oblicuidad Perihelio
(D.C.) cidad (grados) (grados)
------ -------- --------- --------
2000 .016704 23.4398 282.895
2001 .016703 23.4396 282.913
2002 .016703 23.4395 282.930
2003 .016702 23.4394 282.947
2004 .016702 23.4392 282.964
2005 .016702 23.4391 282.981
2006 .016701 23.4390 282.998
2007 .016701 23.4389 283.015
2008 .016700 23.4387 283.033
2009 .016700 23.4386 283.050
2010 .016700 23.4385 283.067

En la tabla proporcionada en el sitio web mencionado se llama longitud del perihelio lo que en otras referencias se denomina argumento del perihelio, ω que, adoptando el punto de vista heliocéntrico, es el ángulo desde el nodo ascendente hasta el perihelio, medido en el sentido de la traslación terrestre. El nodo ascendente corresponde a la dirección del punto de Libra, por el que pasa la Tierra el día del equinoccio de marzo, ver la Figura 4. El resto de "vuelta" hasta los 360º, desde el perihelio hasta el punto de Libra, es igual a la anomalía verdadera de la Tierra el día del equinoccio de marzo. Para 2009 νe=360-283.05=76.95º. Si se ven las cosas desde el punto de vista geocéntrico ese mismo ángulo es el que se mide el día del equinoccio de marzo entre la posición que tuvo el Sol en el perihelio y el punto de Aries, que es donde está el Sol en ese momento, y corresponde por tanto al valor absoluto de la longitud eclíptica del Sol en el perihelio, que es negativa.


La distancia angular entre perihelio y equinoccio de marzo nos da el desfase entre los dos sistemas empleados, el orbital y el equinoccial. Sólo nos hace falta fijar el tiempo exacto en que se da un evento concreto, por ejemplo el paso del Sol por el equinoccio de marzo. De acuerdo a http://aa.usno.navy.mil/data/docs/EarthSeasons.php en 2009 el equinoccio de marzo es el 20 de marzo a las 11h 44 minutos UT.

Puede calcularse el intervalo temporal entre perihelio y equinoccio de marzo en base a los datos de la anterior página. Pero el momento del perihelio allí reflejado es muy sensible a la interacción Luna-Tierra, y es un poco más adecuado tomar sólo el día del equinoccio como referencia puntual, y usar para la diferencia temporal entre perihelio y equinoccio un tiempo obtenido a partir de la anomalía verdadera en el equinoccio de marzo, deduciendo así la fecha y hora de paso por el perihelio.

Sabiendo de una forma u otra los valores del paso por perihelio y equinoccio de marzo en nuestras unidades de dias del año 2009, se puede calcular EDT directamente.

Para calcular sus componentes, EIE y EEX, además del ya introducido Sol Ecuatorial Medio, ECUA, que se mueve a ritmo constante sobre el ecuador celeste, debemos introducir otro punto ficticio: el Sol Eclíptico Medio, en adelante ECLI.

Visto desde el sistema orbital, ECLI es equivalente al punto M de la anomalía media, se desplaza a ritmo constante (sobre el círculo rojo de la Figura 3), a la velocidad media del Sol, coincidiendo con este en el afelio y en el perihelio, y completando una vuelta en un año sidéreo. Visto desde el sistema equinoccial, ECLI marcha al mismo ritmo constante sobre la eclíptica con que ECUA marcha sobre el ecuador, coincide con ECUA en los dos equinoccios, y completa una vuelta en un año trópico. Al igual que ECUA va asociado al tiempo solar medio, a ECLI se le puede asociar un tiempo solar eclíptico, y poner

EDT = tiempo solar verdadero - tiempo solar medio =
= tiempo solar verdadero - tiempo solar medio + tiempo solar eclíptico - tiempo solar eclíptico =
= (tiempo solar eclíptico - tiempo solar medio ) + ( tiempo solar verdadero - tiempo solar eclíptico) =
= EIE + EEX

Si el Sol tuviese una órbita circular, de excentricidad nula, el Sol coincidiría con ECLI. Por eso la diferencia entre el Sol y ECLI, vista desde el geocéntrico sistema equinoccial, es lo que denominamos ecuación de excentricidad o del centro, EEX. Se debe en efecto a la excentricidad de la órbita, y se anularía si la órbita fuese circular, pero no obstante en el valor y forma de EEX influye también la inclinación de la eclíptica, y el "desfase" entre el paso por el perihelio y por el equinoccio de marzo.

La ecuación de la inclinación de la eclíptica, EIE, corresponde a la diferencia entre las posiciones de ECLI y ECUA. Sería la única a considerar si la órbita fuese circular pues entonces ECLI coincidiría con el Sol.

Los ángulos recorridos por ECUA y ECLI son proporcionales al tiempo, con frecuencias angulares conocidas. En el sistema equinoccial el ángulo de ECUA varía con una frecuencia angular ligada a la duración del año trópico. En el sistema orbital el ángulo de ECLI (la anomalía media) varía con una frecuencia angular ligada a la duración del año sidéreo. E incluso es posible tener en cuenta la lenta precesión de los equinoccios para el paso de las anomalías (media para ECLI, o verdadera para el Sol) en el sistema orbital a las longitudes eclípticas (de ECLI y el Sol) en el sistema equinoccial, paso previo a la obtención de las ascensiones rectas.

En el momento del equinoccio de marzo el Sol pasa por el punto de Aries antes de que lleguen a coincidir allí ECUA y ECLI. Va por delante de ECUA, y EDT es negativa. Además, como se aprecia en la Gráfica 1, EIE aún no se anula, pues tanto ECLI como ECUA aún no han llegado al punto de Aries, donde coincidirán (haciendo EIE=0) un poco después.

En la Figura 5 se recoge gráficamente (de una forma no realista del todo) la situación de todos nuestros puntos de interes unos días después del equinoccio de marzo. EEX es proporcional al ángulo desde Sol2 hasta ECLI2, EIE es proporcional al ángulo desde ECLI2 hasta ECUA, y EDT es proporcional al ángulo desde Sol2 hasta ECUA (suma de los dos anteriores). Los ángulos y sus tiempos son positivos si van en el sentido de giro terrestre y traslación de ECUA, es decir, si los puntos "desde" van posicionalmente por detrás de los puntos "hasta".


El Sol (su proyección Sol2) aún va por delante de ECUA, sigue siendo negativa EDT. También va por delante de ECLI ( Sol2 delante de ECLI2), luego EEX también es negativa (más negativa que EDT). Sin embargo ECLI (ECLI2) va por detrás de ECUA, retrasandose cada vez más en ese primer tramo tras pasar el punto de Aries, lo que implica que EIE es positiva y creciendo. La variación de las curvas de la Gráfica 1 se pueden relacionar así con el movimiento del Sol, ECUA y ECLI, ilustrado en la Figura 5.

Herramientas

Para confeccionar esta "pequeña" entrada del blog me he servido de varias herramientas a las que deseo presentar mis agradecimientos:
Octave como herramienta para calcular y presentar las Gráficas
Winplot como herramienta de construcción de las Figuras
Lightscreen como capturador de pantalla para obtener los ficheros png de gráficas y figuras
♦ innumerables sitios web, como wikipedia Es, wikipedia En, giss.nasa, usno, jpl.nasa, DRAE, editor online de ecuaciones latex, ...
♦ el magnífico Curso de Astronomía General, editorial Mir, de P.I. Bakulin, E. V. Kononóvich y V.I. Moroz, traducido del ruso por Virgilio Llanos Mas, donde se describen nuestros imaginarios soles (ecuatorial y eclíptico) medios, aunque el convenio para la ecuación del tiempo tiene el signo cambiado respecto al elegido aquí.

En este enlace pueden encontrarse con la extensión .txt los ficheros de Octave para generar las Gráficas, que hacen uso de ecuTiempo.txt, con las funciones Octave que implementan la solución de los dos problemas, así como imagenes .png de las Gráficas y Figuras. No hay ninguna garantía de que algo de todo esto sea correcto y exento de errores (Disclaimer total :-), pero me ha entretenido lo suyo.

martes, 10 de noviembre de 2009

Ágora

Una de las virtudes del cine es que nos enseña de una forma especialmente evidente el abismo entre una pretendida realidad de "la cosa" en sí, y la aprehensión personal de "la cosa". En el caso del cine "la cosa" es una película. No es raro que tras ver una misma película, a la vez, en butacas contiguas, un grupo de amigos al salir del cine expresen opiniones tan dispares que alguien pueda pensar que han acudido a distintas salas de proyección.

Y en efecto, así es, esa misma pantalla blanca ha estado proyectando sus claros y oscuros a través de nuestros ojos en nuestra personal sala, de modo que esas formas y sonidos dan lugar a reacciones tan idiosincrásicas (ah, como dejar pasar la oportunidad de emplear la palabrita) que bien se explica la disparidad de opiniones.

El caso es que el Ágora que se proyectó el otro día en mi cabeza es de las películas que más me han gustado últimamente, entre otras cosas por el sostenido pulso narrativo de lo que sustancialmente se cuenta, la dinámica de partículas -humanas- sometidas a la acción de una fuerza, el fanatismo. Aquí el fanatismo es religioso, y la religión es la cristiana.

Este detalle es un tanto irrelevante, pues cualquier religión está sometida a la fragilidad del fanatismo desde el momento en que se recurre a la invocación de elementos absolutos, irrebatibles y definitivos: Dios, "su" palabra expresada en las escrituras, y los abnegados adalides que saben interpretarlas infaliblemente y hacerlas cumplir inexorablemente. Entonces el Demonio del Ego humano se da un festín disfrazado con el ropaje de la rectitud.

El caso es que desde el principio, con el enfrentamiento entre los paganos y los cristianos, iniciado por cierto por los paganos, se mantiene la tensión de esa dinámica imparable que irá llegando a los judíos, a los propios cristianos y a la protagonista, Hipatia.

Las escenas espectaculares, de movimiento de masas, están muy logradas, pero más interesantes son las evoluciones personales de los distintos personajes del entorno de Hipatia, sometidas al auge del fundamentalismo y a la búsqueda de conservar el propio pellejo. Las fuerzas doctrinales de la sociedad pueden con la libertad personal, que en efecto es mucho más reducida de lo estamos dispuestos a admitir. Al final, nos arrodillamos.

Y como trasfondo de la historia está esa Escuela que enseña conocimientos que pueden ser puestos en cuestión sin miedo a levantar la cólera de la naturaleza. La protagonista plasma el ansia de conocer, la indagación, el cuestionamiento, y la hermandad del conocimiento.

¿Y es fiel la película a lo que pudo haber sabido Hipatia? Sobre la verosimilitud científica, primero hay que saber que al leer una novela histórica o al ver una película de época, se está ante obras de ficción, y no ante estudios historiográficos.

Pero en este caso hay que agradecer ciertos detalles. En una escena de la película Hipatia lleva a cabo, a bordo de un barco que marcha a toda vela, el experimento de dejar caer un saco desde lo alto del mástil, viendo que cae al pie del mástil. Vaya, el principio de relatividad de Galileo, como si hubiese escuchado a Simplicio y a Salviati en el "Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo ptolemaico y copernicano", que Galileo Galilei publicó en 1630. Licencia que podemos conceder, que es un película. Al final de la cual, la noche antes de su muerte, Hipatia "descubre", junto a su sirviente como único testigo, que los planetas pudieran seguir órbitas elípticas. Bueno, ¿demasiada licencia? La película acaba con unos títulos que hacen perdonar cualquier exceso cometido, y honran al realizador. Se deja claro que no queda obra original alguna de la tal Hipatia, y que al movimiento elíptico de los planetas se llegó con Kepler, muchos, muchos, muchos años después de Hipatia.

En la película hay momentos de violencia y agitación, en el ágora, en Alejandría. Y en unas pocas ocasiones la cámara se eleva sobre la faz de la Tierra, mientras los gritos y el tumulto va apagándose sin extinguirse del todo, y se contempla, brevemente, el ilimitado Cielo estrellado ...

Lo cual me devuelve a constatar los millones de Ágoras que habrá a estas alturas, cuando en una opinión encontrada en la web, tan significativa como la mía propia, leo que "la historia se narra de forma desordenada, compaginando sin ton ni son planos de la tierra tomados desde un satélite con la propia vida cotidiana en Alejandría para volver sin motivo alguno a dar planos del espacio sideral".

Partículas, de polvo, de estrellas. Tan iguales. Tan diversas.

lunes, 2 de noviembre de 2009

burradas

Ya hubo una entrada "animal" aquí, y ayer saltó otra "Un grupo de jóvenes mata una burra a patadas y puñetazos y la cuelga de una soga".

El mundo y los medios están llenos de noticias terribles, de trágicos hechos. No será ese acto violento contra un animal lo peor que haya ocurrido, pero ilustra estremecedoramente lo peor que alberga el ser humano, la infamia individual y colectiva, la indignidad atroz.

A veces una noticia nos golpea especialmente, a pesar del blindaje imprescindible que se necesita para sobrevivir al sesgo informativo de "todo lo malo es noticia". Entonces lo peor ajeno suscita nuestras respuestas impulsivas cargadas de lo peor propio. De modo que en los comentarios de algunos internautas a la noticia, se reflejan insultos hacia los autores de la salvajada y no muy buenos deseos, como fiel reflejo del tumulto visceral que yo mismo sufrí.

Cuando el tumulto, más bien cargado de ira, pasa, llega la pena desolada por la abyección humana, particularizada y explicitada en esos jovenes sin rostro.

Tras cierto reposo, la más dura pena que cabe desear para los culpables es que les penetre sin remedio la conciencia clara de la vileza cometida, una cadena perpetua de vergüenza interior, y un perpetuo empeño de emplear el resto de su vida en beneficio de toda forma de vida sobre el planeta Tierra.