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Experiência: Qual é a Trajetória do Sol?

Laboratório 
Experiência: Qual é a Trajetória do Sol?

Na atividade Quanto Tempo Dura um Dia, nós nos concentramos em como a duração das horas de luz do dia é diferente em diferentes pontos da Terra. Nós também observamos como as horas do nascer e do pôr-do-sol mudam ao longo do ano.

Quanto Tempo Dura um Dia?Vamos observar os horários do nascer e do pôr-do-sol para o dia mais curto do ano no Hemisfério Norte, 21 de dezembro. A uma latitude de cerca de 40 graus ao norte do equador (próximo ao Mar Mediterrâneo, a porção central dos EUA, ou o Mar Amarelo, por exemplo), o nascer do sol seria aproximadamente às 7h40, e o pôr-do-sol, às 16h55. Isso dá uma duração total de luz do dia de 9 horas e 15 minutos para essa latitude.

Você pode achar que esse dia curto seria causado pelo nascer do sol tardio e pelo cedo pôr-do-sol. Contudo, isso não é verdade! Surpresa! O dia com o nascer do sol mais tardio, por volta das 7h43, é 4 de janeiro, e o pôr-do-sol mais cedo ocorre no dia 7 de dezembro, aproximadamente às 16h52. Como isso é possível?

Duas coisas geram essa curiosa situação. Uma delas é a inclinação do eixo de rotação da Terra. A outra é o fato de que a órbita da Terra em volta do sol não é exatamente circular. Ao contrário, ela é ligeiramente elíptica ou oval. Juntos, esses dois fatores causam uma mudança na trajetória aparente do sol ao longo do ano. Essa mudança cria a surpreendente situação mencionada acima.

Se pudéssemos marcar a posição do sol no céu todos os dias no mesmo horário, qual seria o resultado? Você pode achar que o sol apareceria no mesmo lugar no céu no mesmo horário todos os dias. Isso seria verdadeiro se a Terra não tivesse nenhuma inclinação e se sua órbita fosse um círculo perfeito. Como sabemos, esse não é o caso. Vamos observar a inclinação do eixo e o formato da órbita com um pouco mais de detalhe.

 

A inclinação da Terra muda como o sol aparenta estar no céu ao longo do ano, visto de um ponto específico da superfície da Terra. Quando visto de uma localidade no Hemisfério Norte, como neste diagrama, o sol fica em sua posição mais baixa no céu ao meio-dia em dezembro, e em sua posição mais alta no céu ao meio-dia em junho.

Para o Hemisfério Sul, o oposto é verdadeiro. Para localidades a pelo menos 20 graus de latitude norte ou sul em relação ao equador, esse movimento vertical durante o ano é bastante aparente.

 
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A inclinação da Terra também tem efeito sobre a posição horizontal do sol durante o ano, se o sol for observado no mesmo horário todos os dias. Primeiro, vamos observar a trajetória do sol no céu em um dia típico. Este diagrama mostra esse movimento, visto de uma localidade no Hemisfério Norte.

Esse movimento aparente é causado pela rotação da Terra. Na posição do meio-dia, o sol fica no ponto mais alto do céu, não importa o dia.

 
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A inclinação da Terra faz com que o sol alcance sua posição de meio-dia (isto é, a posição mais alta no céu em um determinado dia) um pouco antes ou um pouco depois das 12h00, horário local, em quase todos os dias do ano, com poucas exceções. Por exemplo, entre dezembro e março e entre junho e setembro no Hemisfério Norte, o sol atinge a posição de meio-dia no céu alguns minutos antes do meio-dia local.

Isso significa que, às 12h00, o sol ainda não terá alcançado a mesma posição de meio-dia no céu que o sol de junho ou dezembro. Essas posições do sol às 12h00 são mostradas no diagrama abaixo. Da mesma forma, entre março e junho e entre setembro e dezembro, o sol atinge seu ponto mais alto no céu depois do meio-dia local.

Neste diagrama e no diagrama abaixo, as distâncias horizontais são exageradas para que você possa ver os efeitos realçados claramente. No céu de verdade, as distâncias horizontais não são tão grandes. Contudo, elas são facilmente perceptíveis. Você consegue traçar a trajetória geral do sol neste diagrama no decorrer de um ano? Como você descreveria seu formato?

 
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A órbita da Terra é quase circular, mas ela é suficientemente elíptica (oval) para fazer com que a velocidade orbital da Terra mude ao longo do ano. Essa mudança de velocidade afeta a posição do sol no céu. A Terra fica mais próxima do sol em janeiro. Durante o período de mais ou menos outubro a fevereiro, a velocidade orbital da Terra é muito maior do que em qualquer outra época do ano.

Essa velocidade maior faz com que o sol atinja sua posição de meio-dia no céu mais cedo em janeiro e mais tarde em novembro do que o tempo causado apenas pela inclinação da Terra. Na outra metade do ano, como a velocidade orbital da Terra é mais lenta, efeitos semelhantes também podem ser observados.

Este diagrama mostra em cores mais claras as posições do sol em função apenas da inclinação. As posições mostradas em cores mais escuras levam em consideração os efeitos tanto da inclinação quanto da mudança de velocidade em função do formato da órbita.

 
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Analema solar

© copyright Anthony Ayiomamitis

É mais fácil entender o efeito da inclinação e da órbita ligeiramente elíptica quando observamos isso graficamente. No decorrer de um ano, a localização aparente do sol — visto do mesmo lugar no mesmo horário todos os dias — descreve uma trajetória de formato semelhante ao número oito no céu. Essa trajetória invisível é chamada de analema. A altura do analema é em função da inclinação da Terra, e sua largura é em função tanto da inclinação quanto da natureza elíptica da órbita terrestre.

Podemos observar o formato do analema nesta famosa foto tirada por Anthony Ayiomamitis, astrônomo amador de Atenas, Grécia. No decorrer de um ano, ele tirou uma foto do céu mais ou menos uma vez por semana exatamente no mesmo local e na mesma hora do dia (neste caso, 12h18), com sua câmera fixada na mesma posição. Se ele tivesse tirado as fotos em um horário mais cedo do dia, o analema seria inclinado para a esquerda.

No topo da foto podemos ver as posições do sol no céu em junho e julho, ao passo que as posições em dezembro e janeiro são mostradas na parte inferior.

 

Reunindo Tudo

Os efeitos combinados da inclinação e do formato da órbita produzem o analema, que, por sua vez, nos ajuda a entender por que o pôr-do-sol mais cedo ocorre no início de dezembro e o nascer do sol mais tardio ocorre no início de janeiro. O analema matinal no Hemisfério Norte (criado pela observação da posição do sol no mesmo horário no início da manhã) é inclinado para a esquerda, ao passo que o analema no fim da tarde é inclinado para a direita. Este website de John Holtz possui diagramas detalhados do nascer do sol tardio/pôr-do-sol cedo. Esses diagramas estão localizados perto do fim da página, então é necessário rolar a página para poder vê-los. 

 

 

A Propósito

Se você vive no Hemisfério Norte, pode ter a curiosidade de saber por que as temperaturas externas são mais baixas em dezembro e janeiro, quando a Terra está mais próxima do sol. Muitas pessoas ficam surpresas ao descobrirem que a mudança na distância em relação ao sol não é suficiente para afetar muito a temperatura. A inclinação da Terra é a principal causa dessas mudanças de temperatura. Para mais informações, veja o site Windows to the Universe.

Você teria interesse em descobrir como é o analema onde você vive? Não é difícil de fazer. Em vez de uma câmera, você pode usar luz refletida ou sombras comuns. Como este é um projeto que dura o ano todo, você pode preferir trabalhar em um ambiente fechado, dependendo do clima. Se onde você mora não há muita neve ou chuva durante o ano, você pode optar por trabalhar ao ar livre. Sugerimos que você leia as orientações para ambos os projetos e então decida qual abordagem funcionaria melhor para você em função das particularidades do lugar onde você vive.

Analise as instruções do Projeto Interno e do Projeto Externo e então comece a fazer os gráficos de seu analema local.


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