El Heliógrafo de Campbell-Stokes

Saludos a todos.

Este aparato es el mas utilizado para medir la insolación o "sol eficaz", es decir, contar las horas que ha lucido el sol en determinado lugar durante un dia. Este registrador de la luz solar consiste básicamente en una bola de vidrio macizo de unos 10 cem de diámetro que, a modo de lente, concentra los rayos solares en un foco próximo a ella. A medida que el sol se va moviendo en el cielo, este foco va recorriendo una banda o cartulina fijada en un marco metálico paralelo al vidrio, en semicírculo, detrás de la bola. La concentración del foco luminoso y calorífico va trazando por carbonización una línea oscura más o menos acentuada, según la intensidad de los rayos solares.


Heliógrafo de la Estación de Ojáiz

En las bandas están marcadas las horas y las medias horas del dia. Cuando la luz del sol se muestra intermitente debido a la presencia de nubes, el foco luminoso no actúa y por tanto el trazo quemado queda interrumpido. Si la nubosidad desaparece, vuelve a reanudarse la carbonización de la cartulina. La suma de las longitudes de las líneas quemadas truncadas da el tiempo toatl de la luminosidad solar o insolación del dia correspondiente. Se llama fracción de insolación a la relación existente entre la insolación real de un dia y la que se hubiera producido en caso de que el sol hubiese estado continuamente incidiendo sobre la bola del heliógrafo.

El heliógrafo se coloca sobre un pilar de mampostería a una altura de 1.30 metros del suelo, en un lugar en el que no haya obstáculos que oculten el sol. Se considera un buen emplazamiento aquél que permita la visibilidad de todo el zodíaco por encima del horizonte en todas las epocas del año, desde la salida hasta la puesta del sol.

El heliografo ha de estar ajustado para la latitud geográfica del lugar en donde va a ser instalado. Por lo general estos aparatos se fabrican para un pequeño número de latitudes típicas y dejan margen a la afinación final por medio de un dispositivo de latitud variable. Así como ha de ajustarse a la latitud, tambien debe hacerse lo mismo en cuanto a la longitud geográfica, siendo el mejor modo de hacerlo basándose en la Ecuación del tiempo, que calcula con exactitud la hora del paso del sol por la meridiana de un lugar en concreto.  Si el heliógrafo no esta bien ajustado (latitud-longitud), las marcas o quemaduras que presenten las bandas no estarán paralelas a la linea central de las mismas, con lo que se corre el riesgo de perder datos de insolación.

Como el sol va variando en altura en el curso del año, el foco del heliógrafo se va desplazando en consecuencia, por lo que el marco metálico provisto de ranuras-guías y concéntrico con la bola de vidrio, que sostiene la banda graduada, puede ajustarse buscando la posición más idónea para cada epoica del año.

Las bandas del heliógrafo son franjas zonales planas, suficientemente extrechas para que una vez curvadas coincidan casi con una zona de la esfera. Se han establecido varios tipos, como las que se muestran en la fotografía:


En el hemisferio norte se emplea la banda curva corta entre el 13 de octubre y el 28 ó 29 de Febrero; la banda recta, entre el 1 de marzo y 12 de abril y también entre el 1 de septiembre y el 12 de octubre. La banda curva más larga se usa para el periodo de tiempo que va desde el 13 de abril hasta el 31  de agosto, ambos inclusive. Para hacernos una idea del tamaño de estas bandas, la recta, por ejemplo mide 34 mms de ancho por 282 mm de largo. Se cambian cada dia al atardecer o antes de la salida del sol y se anota en su reverso la fecha de la colocación de la banda.

Cuando el sol ha estado brillando ininterrumpidamente es muy fácil contar las horas de sol efectivas. Cuando el sol ha brillado con intervalos se procede del siguiente modo: Se coge una tira de papel o cartulina con un borde bien cortado y se coloca al lado de la banda retirada del heliógrafo y en aquél, con un lapiz bien afilado se van marcando las longitudes quemadas, una al lado de la otra. La imagen del sol no es un punto matemático, si no un circulito por lo que se debe tomar como origen y final de cada tramo los centros de los semicírculos. Para evitar el inconveniente de usar el trozo de papel o cartulina, algunos heliógrafos vienen con una plantilla especial que evita este trabajo adicional.

No sabía que existía diferentes tipos de bandas dependiendo de la época del año  

Muchas gracias Luis por la información.  

Saludos a todos.
Aquí os pongo unas fotografias de bandas de registro del heliógrafo.

Para ahorrar espacio en el post, he incluído los tres tipos distintos de bandas en una misma fotografía, bajo un folio blanco, para que se puedan apreciar mejor los disntintos tipos de surcos o quemaduras que produce la bola de vidrio del heliógrafo cuando el sol esta presente en el cielo.

La banda superior, como dije al principio del tópic, es la que se coloca entre el 13 de Abril y el 31 de Agosto, por lo que abarca parte de la primavera y los últimos dias del verano, cuando el sol está más alto en el cielo.
Como se observa, la insolación comienza un poco antes de las 10 de la mañana (las horas inscritas en la banda son horas solares, por lo que hay que sumarle una o dos horas para tener el tiempo oficial). El sol estuvo a intervalos de tiempo, por lo que las marcas son círculos peqieños y espaciados. Hacia la una de la tarde, el sol permaneció bastante mas tiempo en el cielo. La marca o quemadura abarca casi una hora de insolación. A partir de las 14.00 horas, la presencia del sol en el cielo ya se hizo más constante y las quemaduras, salvo con unos pocos intervalos, van desde las 15.00 horas hasta las 19.30 (siempre en horario oficial). Por lo tanto el análisis de esta banda nos da un registro de horas de sol de unas 6 horas y media de sol.

La banda central, la recta, se coloca entre el 1 de marzo al 12 de abril, o entre el 1 de septiembre y 12 de Octubre. Como veís estas fechas comprenden casi los equinoccios. En el registro de esta banda es muy sencillo contabilizar las horas de sol , puesto que ha estado casi permamente en el cielo desde las 9 de la mañana. Para saber cuantas horas de sol hubo ése dia, solo hay que contar los tramos horarios de la banda, que hacen un total de 9,30 horas.

La banda inferior es la mas pequeña de todas. Se coloca entre el 13 de Octubre y el 28-29 de Febrero, por lo que comprende parte del otoño y el invierno.
En esta tambien es fácil saber las horas en las que el sol estuvo presente el en cielo, pues alvo algunos "puntos" sueltos su permanencia fue casi constante entre las 12 del mediodía y las 3 de la tarde. En el número marcado con un "15" en la banda, se aprecian unos puntos quemados, debido a la poca radiación recibida del sol. En este caso el total de horas fue de 3,50 horas.

Si os fijáis en un detalle, todas las marcas producidas por el sol son paralelas a la línea central de las bandas. En el caso de la banda recta, la quemadura coindice exactamente con la línea central. En el caso de que el heliógrafo no hubiese estado bien calibrado en cuanto a longitud geográfica, las marcas no estarían paralelas a ésa línea central. Ese es el peor riesgo a la hora de orientar bien un heliógrafo, que en definitiva se comporta como un reloj de sol. En el caso de una mala orientación, las quemaduras hubiesen "cortado" la linea central de la banda, subiendo o bajando, con el problema de la périda de registros.


Las normas establecidas por el INM para contabilizar las horas de sol son:

1.- En el caso de una traza limpiamente quemada, con los extremos redondeados, se rebaja la longitud del surco, o traza total, en un valor igual a la mitad del radio de curvatura de cada extremo; esta rebaja corresponde a una reducción de 0,1 de hora de la longitud total d3el surco quemado.

2.- En el caso de quemaduras circulares, la longitud media deber ser igual a la mitad del diámetro de la quemadura. Si aparecen varias trazas circulares en una misma banda, basta tener en cuenta en general, que 2 ó 3 trazas correspionden a 0,1 de hora de insolación; 4,5, ó 6 trazas, a 0,2 de hora de insolación y así sucesivamente por pasos de 0,1 hora.

3.- Cuando la traza no es más que una quemadura estrecha o una simple mancha, hay que medir toda la longitud de la traza.

4.- Cuando la anchura de una traza continua se reduce durante algún tiempo en un tercio por lo menos, hay que restar de la longitud total 0,1 hora por cada estrechamiento, pero la duración máxima así sustraída no debe soberepasar la mitad de la longitud total de la traza.

Para finalizar os pongo la fotografía de la "plantilla" que se usa para medir las horas de sol cuando las bandas tienen marcas "complicadas", con lo que se evita el uso del lápiz y el papel para determinar la insolación total:


Una vez obtenidas las horas de sol por medio de los registros que el sol ha dejado en los diferentes tipos de bandas, la labor del observador no termina ahí. Con estos datos, se puede calcular la Fracción de Insolación, es decir la correspondencia que hay entre las horas de sol  teóricas de un dia (en el caso de que el astro hubiese estado ininterrumpidamente en el cielo desde el orto al ocaso) y el tiempo de insolación que se refleja en las bandas. Esta proporción se expresa con una fórmula muy sencilla y elemental: N/n, donde "N" es la duración teórica del dia y "n" las horas de sol tomadas de las bandas del heliógrafo. La insolación relativa, que se expresa en tanto por ciento, se calcula multiplicando por 100 el resultado de la división anterior.

INSOLACION Y NUBOSIDAD (Inocencio Font Tullot)
Aunque pudiera parecer que estos dos términos se complementan y uno depende del otro, en realidad no es así. Hay que tener en cuenta que la presencia de una sola nube que acompañase al sol en su movimiento aparante anularía la insolación sin contribuir excesivamente a incrementar la nubosidad. Recíprocamente,  el cielo puede permanecer casi cubierto sin perjudicar proporcionalmente el paso de los rayos solares. Este último caso se da con la presencia en el cielo de nubes altas, generalmente cirroestratos, los cuales dejan pasar la luz del sol aunque de un modo atenuado. En los registros del pluvógrafo la presencia de estas nubes se puede conocer bien debido a que las quemaduras en la cartulina son muy tenues, pero perfectamente contabilizables.

Los distintos estudios que se ha hecho sobre el tema demuestran que si no existe relación directa entre la nubosidad media del dia y la insolación relativa del mismo dia, existe una relación permamente entre los valores medios de ambos elementos, correspondientes a periodos bastante largos (un mes, por ejemplo), pudienso así calcularse aproximadamente uno de ellos en función del otro. Esta relación, según Angot (adaptada en unidades "octas" es:
                              N = (100 - I) (/100
                               I = 100 (1-N/8)
Donde "N" designa la nubosidad media en octas e "I" la insolación relativa en tantos por ciento.


Hasta pronto.