Día y Noche
El día y la noche ocurren porque la Tierra gira: la mitad frente al Sol tiene día, la mitad de espaldas tiene noche, y a medida que la Tierra sigue girando cada lugar tiene su turno de luz y de oscuridad cada 24 horas.
Definition
El día y la noche ocurren porque la Tierra gira: la mitad de cara al Sol tiene de día, la mitad de espaldas tiene de noche, y mientras la Tierra sigue girando, cada lugar recibe su turno de luz y su turno de oscuridad. La Tierra rota sobre su eje una vez cada $24$ horas, así que en cualquier momento la mitad de la Tierra está iluminada por el Sol y la mitad está en la propia sombra de la Tierra, y el límite entre ellas, el terminador, se desplaza hacia el oeste a través de la superficie mientras la Tierra gira hacia el este. La duración de la luz de día en un lugar dado depende de la latitud y la estación por la inclinación axial de $23.5^\circ$ de la Tierra. Cuantitativamente, en una fecha en que la declinación del Sol es $\delta$, la luz de día en la latitud $\phi$ está determinada por el ángulo horario del amanecer, $\cos H = -\tan\phi \tan\delta$, con la luz de día durando $2H$ convertidos a $15^\circ$ por hora; cuando $|\tan\phi \tan\delta| > 1$ no hay amanecer ni atardecer, produciendo día polar o noche polar más allá de $66.5^\circ$. La refracción atmosférica eleva al Sol cerca de medio grado en el horizonte y el crepúsculo extiende la luz utilizable más allá del atardecer geométrico, así que la luz de día real es unos minutos más larga que lo que da la fórmula.
Example
Cuando es mediodía en Charlotte, es medianoche en China al otro lado del mundo; ilumina un globo terráqueo con una linterna y hazlo girar para ver cómo funciona esto. Charlotte recibe unas $14.5$ horas de luz de día en el solsticio de junio y unas $9.8$ horas en el solsticio de diciembre, mientras que en el ecuador la luz de día está cerca de $12$ horas todo el año y dentro del Círculo Polar Ártico el Sol permanece arriba $24$ horas a mediados de verano. Trabajando la fórmula para Charlotte, $\phi = 35^\circ$, en el solsticio de junio $\delta = 23.5^\circ$: $\cos H = -\tan 35^\circ \tan 23.5^\circ \approx -0.304$, así que $H \approx 107.7^\circ$ y la luz de día es $2 \times 107.7 / 15 \approx 14.4$ horas. En el solsticio de diciembre $\delta = -23.5^\circ$ da $H \approx 72.3^\circ$ y cerca de $9.6$ horas.
Key Insight
El Sol en realidad no sale ni se pone; la Tierra gira hacia el Sol en la mañana y se aleja de él en la tarde. El día y la noche son causados por la rotación, mientras que las estaciones son causadas por la inclinación más la revolución, y los estudiantes a menudo mezclan esto aunque el ciclo diario existiría sin inclinación y sin órbita. La ecuación del tiempo significa que el mediodía solar se desvía hasta unos $16$ minutos del mediodía del reloj durante el año porque la órbita de la Tierra es elíptica y su eje está inclinado. Los relojes de sol y los relojes no coinciden por razones arraigadas en la mecánica orbital, no en relojes de sol defectuosos.