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A Terra gira em torno do Sol em uma órbita ligeiramente elíptica. Esse movimento de Translação origina as estações do ano e faz com que as constelações que vemos à noite sejam diferentes ao longo do ano.
As estações do ano são determinadas pelo ângulo de incidência dos raios do Sol na superfície terrestre. Assim, no verão, os raios de sol atingem a superfície mais perpendicularmente, enquanto no inverno, de modo mais inclinado. Como a Terra é redonda e o eixo da Terra inclinado em relação ao plano de sua órbita, os raios de Sol atingem os hemisférios de forma diferente. Quando é verão no hemisfério norte é inverno no sul e vice-versa.
Solstício é quando o Sol está no seu ponto mais alto no céu no Hemisfério Norte ou no Hemisfério Sul. Quando a incidência solar é maior em um dos hemisférios temos o Solstício de Verão e no outro o Solstício de Inverno. No Solstício de Verão temos a maior duração do dia e no Solstício de Inverno a maior duração da noite. Entre os dias 20 e 21 de dezembro temos o Solstício de Verão no Hemisfério Sul e o de Inverno no Hemisfério Norte. Entre os dias 20 e 21 de junho temos o Solstício de Inverno no Hemisfério Sul e de Verão no Hemisfério Norte.
Já no Equinócio nenhum dos hemisférios está inclinado em relação ao Sol e a incidência dos raios solares é a mesma nas latitudes equivalentes dos dois hemisférios. A duração do dia é igual a duração da noite. O Equinócio da Primavera ocorre entre os dias 22 e 23 de setembro no Hemisfério Sul sendo o Equinócio do Outono no Hemísfério Norte nessas datas. O Equinócio de Outono no Hemisfério Sul ocorre entre 20 e 21 de março, sendo Equinócio da Primavera no Hemisfério Norte entre esses dias.
Solstícios e Equinócios marcam o início da estações.
Como a Terra gira em torno do Sol o céu que vemos à noite varia dia a dia. Assim, no verão no Hemisfério Sul (inverno no Hemisfério Norte) vemos a constelação de Órion, já a constelação do Escorpião, se encontra no lado oposto Sol e não é visível por conta do Sol que ilumina o céu durante o dia impedindo que enxerguemos as estrelas. Na figura vemos as constelações características das estações. Vemos que no Outono é possível ver a constelação do Leão, mas não é possível vermos a constelação de Pégassus que, por sua vez é visível na Primavera no Hemisfério Sul e no Outono no Hemisfério Norte.
Como as estrelas mudam conforme a Terra gira em torno do Sol, os antigos as usavam para determinar as estações do ano. Dessa forma era possível saber, por exemplo, a melhor data para o plantio. Também auxiliavam a navegação. Da mesma forma que vemos formas de animais ou objetos quando olhamos nuvens, os antigos identificaram formas em conjuntos de estrelas criando histórias e, com isso facilitando a identificação das estrelas e consequentemente das estações. A estas formas dava-se o nome de constelações. Cada povo determinava quais estrelas compunham uma constelação. A União Astronômica Internacional (IAU), em 1922 catalogou 88 constelações. Em 1928 o céu foi dividido em áreas cada qual contendo além de uma constelação, várias outras estrelas. É como se o céu tivesse sido dividido em estados e as estrelas sendo cidades. Ao todo são 88 constelações, ou áreas.
É importante entendermos que constelações não existem. As estrelas de uma determinada constelação estão muito distantes umas das outras. A forma que vemos deve-se única e exclusivamente pela posição da Terra. Se sairmos das redondezas do Sol, o formato que vemos não aparecerá. Outro ponto é que as estrelas (assim como o Sol) movem-se, mas as distâncias são tão inimaginavelmente grandes que durante a existência de uma pessoa as diferenças de posições, com algumas exceções, serão mínimas. Mas, em milhares de anos, a situação muda.
Se conseguissemos enxergar estrelas durante o dia, veríamos que o Sol, seguindo seu caminho pelo céu na curva conhecida como elíptica, passa por 13 constelações. Doze dessas constelações são conhecidas como constelações do Zodíaco. Muitas pessoas acreditam que a posição do Sol no momento de nascimento de uma pessoa determina muitas características dela. Um aspecto interessante é que são doze signos do zodíaco, mas são 13 as constelações pelas quais o Sol passa (há uma décima quarta pela qual o Sol passa de raspão). Como as constelações não possuem os mesmos tamanhos, o tempo em que o Sol passa por elas é bem diverso. Por exemplo, o Sol leva apenas 8 dias para cruzar Escorpião. Já Virgem, ele leva 44 dias. Serpentário, a décima terceira constelação pela qual o Sol passa, toma 18 dias.
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Quando se estuda algum fenômeno que trabalhe com posição dos seus elementos, temos que escolher um sistema de referência que estabeleça como saber as coordenadas de um elemento em um determinado instante. A escolha do sistema de referência é arbitrária, mas se escolhermos um sistema de referência inadequado, a determinação das coordenadas ao longo do tempo, se o objeto estiver se movimentando, pode ser bem complicada. Esta foi a dificuldade que mostrou a Nicolau Copérnico que a Terra e os demais planetas giravam em torno do Sol. Não existe o sistema de referência certo ou errado, mas sim o mais conveniente para a finalidade desejada.
Outro ponto importante é que nossa visão consegue determinar as distâncias relativas de objetos usando o paralaxe que é o deslocamento da imagem que cada um de nossos olhos percebe. Quanto mais próximo o objeto, maior o deslocamento, quanto mais longe menor. Por este motivo, é muito difícil, se não impossível, determinarmos a distância relativa entre objetos muito distantes, como por exemplo as estrelas. Vemos as estrelas como se estivessem em uma esfera gigantesca, todas à mesma distância.
Podemos, então imaginar que o céu que observamos é uma semi-esfera delimitada pelo plano do horizonte do observador. Evidentemente, se uma pessoa estiver no alto de uma montanha muito alta, verá o céu como um pouco mais do que uma semi-esfera, mas em situação normal, podemos dizer que o céu que vemos é uma semi-esfera que chamamos de abóboda celeste.
Sistema de Referência Horizontal
O semicírculo que liga Norte ao Sul é a Linha do Meridiano. O ponto mais alto da esfera é chamado de Zênite. As coordenadas de um objeto são medidas em graus. O Azimute é o ângulo que a projeção do objeto faz no plano horizontal, contado em sentido horário a partir do ponto cardeal Norte, variando portanto de 0° a 359°. Já, a altitude, é também medida em graus, sendo 0° o nível do horizonte e 90° o Zênite. Objetos abaixo da linha do horizonte tem valores de altura negativos. Por curiosidade, o oposto do Zênite é o Nadir.
Uma desvantagem desse sistema de coordenadas é que, como ele é fixo na Terra e no observador, os objetos celestes terão coordenadas variando com o tempo. O observador verá a esfera celeste girando a seu redor.
Sistema Equatorial Celeste Universal
No sistema equatorial, consideramos a esfera celeste fixa, com a Terra girando internamente. É um sistema similar ao de latitude e longitude, mas projetado na esfera celeste. Ascenção Reta é o ângulo (α) medido em sentido anti-horário a partir do ponto que representa a posição do Sol no Equinócio Vernal (γ) no hemisfério norte (20 ou 21 de março). A esfera é dividida em 24 gomos e os ângulos são medidos em horas. Como a Terra leva aproximadamente 24 horas para fazer um giro sobre si mesma, e um círculo possui 360°, temos que cada 15° representam 1h. Na figura a estrela tem uma Ascenção Direta de 2h. Já, a Declinação (δ) é medida em Graus, Minutos e Segundos a partir do plano do Equador Celeste, sendo positivo em direção ao Polo Norte Celeste (+90°) e negativo em direção ao Polo Sul Celeste (-90°). A vantagem é que as coordenadas das estrelas praticamente não sofrem mudanças no curto prazo. O movimento da Terra é decomposto em vários submovimentos. Translação, que é seu giro ao redor do Sol, Rotação em torno de seu eixo, Processão que é o movimento do eixo da Terra que completa um ciclo a cada 26.000 anos e Nutação que é uma oscilação pequena do eixo da Terra. Como o raio da órbita da Terra ao redor do Sol é muito pequeno em relação às grandezas celestes, o movimento de Translação não necessita ser considerado no sistema equatorial. Já a Processão afeta as coordenadas das estrelas e de tempos em tempos as coordenadas das estrelas devem ser corrigidas. Quando se especifica, no sistema equatorial, as coordenadas de um objeto celeste, especifica-se também um dado conhecido como Época. É comum o uso do sistema equatorial época J2000.0. Foge ao escopo deste material entrar em detalhes. Já a Nutação é levada em conta no cálculo das órbitas dos planetas.
A Precessão é um movimento parecido com o de um pião quando está inclinado. O eixo da Terra muda a direção da inclinação voltando à mesma posição depois de 26.000 anos. Isto altera as estações do ano. Quando o eixo tiver girado 180° em relação à posição em que está hoje, o inverno no hemisfério Sul será quando hoje é verão ocorrendo o inverso no hemisfério Norte. Atualmente o calor no verão no hemisfério Sul é amenizado pela enorme quantidade de água dos oceanos ser muito maior que no hemisfério Norte. Nossos invernos são mais amenos porque os oceanos liberam o calor acumulado no verão. Dentro de 13.000 anos este fenômeno não ocorrerá e os invernos e verões serão muito mais rigorosos no hemisfério Sul. Bem, creio que não estarei mais aqui, felizmente.
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Fiz um curso sobre reconhecimento do céu no Planetário do Ibirapuera. Um dos participantes perguntou ao instrutor qual parcela das 88 constelações são visívieis em São Paulo. O instrutor disse que era difícil responder em termos de constelações e o assunto acabou esquecido, mas não consegui dormir à noite, e no dia seguinte relembrei geometria a longo tempo esquecida para responder uma pergunta diferente: que porcentagem do céu é visível em uma determinada latitude. Vamos esclarecer que queremos saber, que parte do céu é visível AO LONGO DO ANO, pois as constelações que vemos vão mudando à medida em que a Terra gira em torno do Sol.
As estrelas estão muito distantes de nós e, embora elas se desloquem, a posição aparente delas, no espaço de nossas vidas, com pequenas exceções, não mudará de modo perceptível. Também por estarem muito distantes, as vemos como se estivessem em uma abóboda com centro em nossa posição. Assim, em um determinado instante, se o nosso horizonte estiver livre em todas as direções, veremos 50% do céu. A Terra gira e com o passar dos meses, as estrelas que vemos nesses 50% serão diferentes. Uma pessoa postada exatemente no Polo Norte, verá sempre a mesma parcela do céu, ou seja, apenas constelações no hemisfério norte celeste serão visíveis para esse observador.
Uma pessoa exatamente na linha do equador, verá 100% do céu ao longo de um ano.
A pergunta que vem à nossa mente é: e para uma pessoa em uma posição intermediária? Sob o nosso ponto de vista o céu gira e nós estamos parados. Vemos a abóboda celeste girando em torno do eixo PSC (Polo Sul Celeste) - PNC (Polo Norte Celeste). O nosso observador na figura, em um determinado instante, vê apenas o que está acima do horizonte, mas como "o céu gira", um estrela abaixo do horizonte, em um momento passará a ser visível acima do horizonte enquanto outras desaparecerão abaixo do nosso horizonte. Apenas as estrelas situadas na calota destacada em amarelo na figura nunca serão visíveis para uma pessoa na latitude α.
Na representação da esfera celeste, as estrelas estão sobre a superfície dessa esfera. Durante o dia não vemos as estrelas porque elas são ofuscadas pelo Sol. As estrelas que vemos à noite em uma determinada época serão as mesmas que uma pessoa que esteja na mesma latitude que a nossa verá quando anoitecer em sua longitudes.
Para ver o céu completo, temos que esperar nossa Terra mudar de posição em relação ao Sol. Observe na figura abaixo, que a constelação de Escorpião é visível no inverno do hemisfério Sul (verão do hemisfério Norte). Como o Sol está entre a Terra e a constelação de Órion, não a veremos nesse período..
A seguir, o cálculo do percentual do céu visível para uma pessoa na latitude α ao longo do ano.
Abaixo temos uma lista mostrando o percentual vísivel do céu em função da latitude.
| Latitude | % Visível |
| 0 | 100,0% |
| 5 | 99,6% |
| 10 | 98,6% |
| 15 | 97,0% |
| 20 | 94,9% |
| 25 | 92,3% |
| 30 | 89,4% |
| 35 | 86,3% |
| 40 | 82,8% |
| 45 | 79,3% |
| 50 | 75,6% |
| 55 | 72,0% |
| 60 | 68,3% |
| 65 | 64,7% |
| 70 | 61,3% |
| 75 | 58,1% |
| 80 | 55,1% |
| 85 | 52,4% |
| 90 | 50,0% |
Vemos no figura a seguir a parcela do céu que nunca vemos em São Paulo usando o software Stellarium em um PC. Nunca veremos a constelação da Ursa Menor e apenas parcialmente a da Girafa, Cefeu e Dragão.
