Día solar y día sidéreo

Lydia preguntó, en el artículo de la esfera celeste, sobre el período de rotación de la Tierra de 24 horas o de 23 horas y 56 minutos. Intentaré explicarlo de la mejor forma que sepa.

Se trata de dos conceptos diferentes: el día solar y el día sidéreo.

El día solar es el tiempo que transcurre entre el mediodía, cuando el Sol se encuentra exactamente en el meridiano celeste, o sea, en el punto más alto en el cielo, y el mediodía del día siguiente. El día sidéreo es lo mismo pero tomando como referencia una estrella determinada en lugar del Sol. Pero.... por qué hay una diferencia de 4 minutos? Esto tiene que ver no solo con el movimiento de rotación de la Tierra, sino también con el movimiento de traslación en su órbita alrededor del Sol.

Tomemos como referencia, en primer lugar, el Sol:

En la figura, la Tierra se encuentra en la posición A de su órbita un día determinado, en la posición B al día siguiente, y en la posición C al cabo de unos días o meses (evidentemente el dibujo no está a escala y el desplazamiento de la Tierra en su órbita está muy exagerado). En cualquiera de las tres posiciones, mirando en la dirección de la flecha azul, veremos el Sol en el punto más alto en el cielo al mediodía, es decir a la misma hora. O sea que no importa en qué posición de la órbita se encuentre la Tierra, siempre tendremos el Sol en el punto más alto a mediodía todos los días del año. De hecho, si el día solar tiene 24 horas exactas es porque así se definió en su momento (creo que fueron los egipcios o los sumerios, no sé) como el tiempo que transcurre entre dos pasadas del Sol por el meridiano, o sea, a mediodía.

Ahora tomemos como referencia una estrella cualquiera:

Cuando la Tierra está en la posición A y miramos al cielo (en la dirección de la flecha azul) vemos unas estrellas y unas constelaciones determinadas. Como la Tierra completa una órbita alrededor del Sol en un año, seis meses después estará en la posición B y, por tanto, veremos unas estrellas y constelaciones diferentes.

Pero en el transcurso de un solo día, la Tierra también habrá recorrido una pequeña distancia en su órbita:

Supongamos que, con la Tierra en la posición A, justo a medianoche, si miramos al cielo exactamente sobre nuestra vertical, estaremos mirando en una línea recta en dirección completamente opuesta al sol y podemos fijarnos en una estrella determinada. Al día siguiente, la Tierra ha avanzado un poquito en su órbita alrededor del Sol y, si volvemos a mirar justo a medianoche sobre nuestra vertical, veremos que esa misma estrella ya no está en el mismo sitio sino que se encuentra un poquito más al oeste. O lo que es lo mismo, esa estrella la veríamos en la misma posición que la noche anterior cuatro minutos antes.

Esta es la diferencia entre el día solar y el día sidéreo:
El día solar es el tiempo que transcurre entre dos pasos consecutivos del Sol por el meridiano celeste a mediodía y, este tiempo fue dividido en 24 horas exactas.
El día sidéreo es el tiempo que transcurre entre dos pasos consecutivos de una misma estrella por el meridiano celeste a medianoche, y dura 23 horas y 56 minutos debido al movimiento de traslación de la Tierra en su órbita alrededor del Sol.