La razón de esto está en la órbita de la Tierra. que  barre áreas desiguales en el plano de la eclíptica a medida que se mueve alrededor del Sol porque su eje de rotación siempre mantiene la misma dirección (hacia el Polo Norte celeste que aproximadamente coincide con la estrella Polar) y está inclinado 23°44′ respecto al plano de su órbita de desplazamiento, Con ello al girar alrededor del Sol, el ángulo de incidencia de los rayos solares varía a lo largo del año y los hemisferios norte y sur reciben más luz solar durante el verano y menos durante el invierno, por eso hay grandes diferencias en  en las duraciones de los días y de las noches entre esos dos períodos.

En las regiones tropicales (cerca del ecuador entre los trópicos de Cáncer y de Capricornio) la duración del día es más o menos de doce horas con una diferencia de sólo unos minutos para las distintas épocas del año. Cuando el Sol se encuentra más al norte o más al sur se dice que está en el solsticio de verano o en el solsticio de invierno que para el hemisferio norte sucede el 21 de junio y el 22 de diciembre  y al revés en el hemisferio sur. Durante los solsticios de verano e invierno, el Sol está perpendicular a las líneas imaginarias de los trópicos de Cáncer al norte y de Capricornio al sur, que están justamente a 23.5 0 de latitud. Esto hace que durante el solsticio de verano se tengan más horas de Sol en el hemisferio norte y éste sea el día más largo del año y por el contrario, el solsticio de invierno sea el día más corto. En el hemisferio sur sucede lo contrario.



Los puntos de la esfera celeste en los que el Sol cruza desde el norte hacia el sur y viceversa se llaman equinoccios y esto sucede aproximadamente el 21 de marzo y el 22 de septiembre, que son las fechas en que se inician la primavera y el otoño. en el hemisferio norte y al revés en el hemisferio sur. 

Así que cuando nos pregunten: ¿qué hora es?, podemos dar la hora universal que es la hora civil en Greenwich, o la hora civil o local que viene dada por la longitud del lugar en que nos encontremos tomando al meridiano de Greenwich como origen. Pero la hora de Greenwich se basa en el movimiento ficticio del llamado «Sol Medio» que se cuenta a partir de la medianoche cuando ese «Sol Medio» pasa por su meridiano inferior y que cuando pasa por el superior es el mediodía diciendo entonces que estamos en GTM=12:00:00



¿Pero qué es eso del «Sol Medio«? Pues todo se basa  en ese movimiento  que antes hemos indicado de la Tierra alrededor del Sol, que también se mueve en un espacio inmóvil de estrellas fijas. El Sol, visto desde la Tierra se desplaza respecto a ese fondo de estrellas en un ciclo de un año, pero este movimiento no se puede observar directamente, y por eso los movimientos aparentes del Sol,  observados  desde la Tierra son bastante complejos. 

Podemos simplificar el tema suponiendo que las estrellas fijas se encuentran en la superficie de una esfera inmensamente grande llamada «esfera celeste» y que el eje de la Tierra prolongado se convierte en el «eje del Universo»  cortando a la esfera celeste en los «Polo Norte» y «Polo Sur» celestes. Si extendemos el plano del Ecuador terrestre hasta la esfera celeste obtendremos  el «Ecuador Celeste» y la  eclíptica la línea curva formada por la intersección del plano de la órbita terrestre con la esfera celeste es por donde se mueve el Sol alrededor de la Tierra, pero en un  «movimiento aparente» visto desde la Tierra.



En la esfera celeste existe también un circulo de mucha importancia para la construcción de los relojes de sol. Es el llamado «Meridiano celeste». ¿En qué consiste? Pues ya sabemos que por cada punto de observación sobre la Tierra discurre un semicírculo que va desde el Polo Norte al Polo Sur que es su «Meridiano local«. Pues la línea de intersección del plano que contiene a ese meridiano con la esfera celeste es ese «Meridiano celeste» y su principal característica es que pasa por los dos polos celestes y por el cenit y el ocaso. Por tanto cada punto de la Tierra tiene el suyo y el Sol visto desde  un punto de observación de la tierra hará un movimiento aparente sobre ese meridiano recorriendo un semicírculo que va desde el Polo Norte al Polo Sur celeste.  Esto es lo que se llama el «Círculo horario del Sol» y el mismo lo recorre este astro una vez cada día en un movimiento aparente (no real) alrededor de la Tierra. 



Esta fue la solución aplicada en el siglo XV para los relojes de sol. Si la varilla del mismo coincide exactamente con el eje de la Tierra, la sombra proyectada por esa varilla se formará en un plano que coincide exactamente con el plano del círculo de las horas. Por tanto la posición del plano de sombras dependera únicamente de la posición del círculo de horas del Sol y será indiferente de en qué punto se encuentre este dentro de dicho circulo. Al moverse el Sol por el circulo horario la sombra proyectada nos dará la hora  por la intersección de la misma con el circulo de horas graduado.

Los relojes de Sol nos dan el «tiempo verdadero«. Es decir que cuando hacemos la lectura estamos leyendo la «hora solar verdadera» que depende del lugar en que nos encontremos pero dos relojes de Sol situados en poblaciones localizadas una más al Oeste que la otra marcarán horas distintas en el mismo instante. Para conocer la hora oficial con la ayuda de un reloj de Sol, debemos añadir a la hora leída en el mismo una corrección dada por la llamada  ecuación de tiempo

Tiempo oficial = Tiempo verdadero (reloj de Sol) + Ecuación de tiempo

¿Y qué es eso de la ecuación de tiempo? Pues se trata de un ajuste debido a que el Sol se atrasa o se adelanta para salir al amanecer o ponerse al atardecer varios minutos durante el año, cosa que se debe a la órbita terrestre que no es un círculo sino una elipse y a que el Sol se mueve sobre la eclíptica y no sobre el ecuador celeste. Asi es que existe una diferencia entre el  «tiempo solar medio» y el «tiempo solar aparente«, que se calcula con la citada ecuación.



El cambio aparente de la posición del Sol durante el año se debe a la inclinación del eje de rotación de la Tierra, que es exactamente de 23°44′, La diferencia es mayor en noviembre cuando el tiempo solar medio está a más de de 16 minutos por detras del tiempo solar aparente y a mediados de febrero cuando el tiempo solar medio va más de 14 minutos por delante del tiempo solar aparente; esto quiere decir que en noviembre el Sol sale más temprano y en febrero sale más tarde. La diferencia en tres meses puede ser de unos 30 minutos (5:41 a 6:11 a.m.) y los dos tiempos son iguales cuatro veces al año, el 15 de abril, el 14 de junio, el 1 de septiembre y el 25 de diciembre. Este desfase se representa por una figura llamada «analema«, una palabra de origen árabe, comúnmente utilizada por los astrónomos. El analema es un fenómeno astronómico invisible pero representable gráficamente y que registra la posición del Sol a la misma hora y desde el mismo lugar durante todos los días del año. 

Para comprenderlo has de imaginar que tu cabeza es el Sol y que la Tierra órbita a tu alrededor presentándote una misma cara mientras la miras con tu visión estelar pues el analema es generado por el planeta Tierra durante su trayectoria circular en torno al Sol con el eje de rotación inclinado 23°44′ y en una órbita ligeramente excéntrica. Si la órbita del Sol fuera circular, el analema sería simplemente una línea recta de sur a norte que mostraría solamente el desplazamiento del Sol hacia los solsticios pero al no serlo el analema es una figura con forma de “8”

Muchas personas lo han recreado con una cámara fotográfica y con placentera paciencia a lo largo del año. En la siguiente animación veremos el movimiento del Sol durante todos los meses del año y podemos comprobar como el movimiento aparente del astro en la esfera celeste tiene esta forma

Al final, aunque el reloj de Sol como instrumento de medida del tiempo ha caído en desuso aún se mantiene como un objeto  nostálgico. Al principio el hombre sólo miraba a las estrellas como distracción, pero pronto encontró una utilidad, en esos fenómenos que se sucedían de forma periódica en el cielo y comprendió que del Sol, dependía su subsistencia, la recogida de los frutos o el tiempo de lluvias o de sequía. De este modo su movimiento aparente ofreció a los primeros hombres una referencia para ubicarse en el tiempo. 


Reloj solar en Jaén 

Fuente:
Relojes de Sol. Franz Embacher