Luz del sol

Luz solar que ilumina dos lados diferentes del estado estadounidense de Nueva Jersey . Amanecer en la costa de Jersey en Spring Lake , condado de Monmouth (arriba), y atardecer en la costa en Sunset Beach , condado de Cape May (abajo). Ambas imágenes se filtran a través de nubes estratos altas .

La luz solar es la porción de la radiación electromagnética que emite el Sol (es decir, la radiación solar) y que recibe la Tierra , en particular la luz visible perceptible por el ojo humano , así como la luz infrarroja invisible (que los humanos suelen percibir como calor) y la luz ultravioleta (que puede tener efectos fisiológicos como quemaduras solares ). Sin embargo, según la Sociedad Meteorológica Estadounidense , existen "convenciones contradictorias sobre si las tres [...] se denominan luz, o si ese término solo debe aplicarse a la porción visible del espectro". ^{[ 1 ]}

Al llegar a la Tierra, la luz solar se dispersa y filtra a través de la atmósfera terrestre como luz diurna cuando el Sol está sobre el horizonte . Cuando la radiación solar directa no es bloqueada por las nubes , se experimenta como luz solar , una combinación de luz brillante y calor radiante (atmosférico). Cuando es bloqueada por las nubes o reflejada por otros objetos , la luz solar se difunde . Las fuentes estiman un promedio global de entre 164 vatios y 340 vatios ^{[ 2 ]} por metro cuadrado durante un día de 24 horas; ^{[ 3 ]} esta cifra es estimada por la NASA como aproximadamente una cuarta parte de la irradiancia solar total promedio de la Tierra .

La luz solar tarda aproximadamente 8,3  minutos en llegar a la Tierra desde la superficie del Sol. ^{[ 4 ]} Un fotón que parte del centro del Sol y cambia de dirección cada vez que encuentra una partícula cargada tardaría entre 10.000 y 170.000 años en llegar a la superficie. ^{[ 5 ]} La luz solar es un factor clave en la fotosíntesis , el proceso utilizado por las plantas y otros organismos autótrofos para convertir la energía luminosa , normalmente del Sol, en energía química que puede utilizarse para sintetizar carbohidratos y alimentar las actividades de los organismos. La radiación ultravioleta en la luz solar tiene efectos tanto positivos como negativos para la salud, ya que es un requisito para la síntesis de vitamina D ₃ y un mutágeno .

La iluminación natural es la iluminación de espacios interiores mediante la entrada de luz solar. La irradiancia solar es la cantidad de energía solar recibida por una unidad de superficie proveniente de la luz solar.

Los investigadores pueden medir la intensidad de la luz solar utilizando un registrador solar , un piranómetro o un pirheliómetro . Para calcular la cantidad de luz solar que llega al suelo, se deben tener en cuenta tanto la excentricidad de la órbita elíptica de la Tierra como la atenuación por la atmósfera terrestre . La iluminancia solar extraterrestre ( E _ext ), corregida para la órbita elíptica utilizando el número de día del año (dn), se da con buena aproximación en ^{[ 6 ].}

${\displaystyle E_{\rm {ext}}=E_{\rm {sc}}\cdot \left(1+0.033412\cdot \cos \left(2\pi {\frac {{\rm {dn}}-3}{365}}\right)\right),}$

donde dn=1 el 1 de enero; dn=32 el 1 de febrero; dn=59 el 1 de marzo (excepto en años bisiestos, donde dn=60), etc. En esta fórmula se usa dn–3, porque en los tiempos modernos el perihelio de la Tierra , el acercamiento más cercano al Sol y, por lo tanto, el máximo E _ext ocurre alrededor del 3 de enero de cada año. El valor de 0,033412 se determina sabiendo que la relación entre el perihelio (0,98328989  UA) al cuadrado y el afelio (1,01671033  UA) al cuadrado debería ser aproximadamente 0,935338.

La constante de iluminancia solar ( E _sc ) es igual a 128 × 10³ ^lux . La iluminancia normal directa ( E _dn ), corregida por los efectos atenuantes de la atmósfera, viene dada por: 

${\displaystyle E_{\rm {dn}}=E_{\rm {ext}}\,e^{-cm},}$

donde c es la extinción atmosférica y m es la masa de aire óptica relativa . La extinción atmosférica reduce el número de lux a alrededor de 100 000 lux.

La cantidad total de energía recibida a nivel del suelo del Sol en el cenit depende de la distancia al Sol y, por lo tanto, de la época del año. Es aproximadamente un 3,3 % mayor que el promedio en enero y un 3,3 % menor en julio (ver más abajo). Si la radiación solar extraterrestre es de 1367 vatios por metro cuadrado (el valor cuando la distancia Tierra-Sol es de 1 unidad astronómica ), entonces la luz solar directa en la superficie de la Tierra cuando el Sol está en el cenit es de aproximadamente 1050 W/m² ^, pero la cantidad total (directa e indirecta desde la atmósfera) que llega al suelo es de alrededor de 1120 W/m² ^. [ ^{7 ] En} términos de energía, la luz solar en la superficie de la Tierra es aproximadamente un 52 a 55 por ciento infrarroja (por encima de 700 nm ), un 42 a 43 por ciento visible (de 400 a 700  nm) y un 3 a 5 por ciento ultravioleta (por debajo de 400  nm). ^{[ 8 ]} En la parte superior de la atmósfera, la luz solar es aproximadamente un 30% más intensa, con aproximadamente un 8% de radiación ultravioleta (UV), ^{[ 9 ]} y la mayor parte de la radiación UV adicional consiste en radiación ultravioleta de onda corta biológicamente dañina. ^{[ 10 ]}

La luz solar directa tiene una eficacia luminosa de aproximadamente 93 lúmenes por vatio de flujo radiante . Esto es mayor que la eficacia (de la fuente) de la iluminación artificial que no sean LED , lo que significa que usar la luz solar para iluminar calienta menos una habitación que la iluminación fluorescente o incandescente.Multiplicando la cifra de 1050 vatios por metro cuadrado por 93 lúmenes por vatio, se obtiene que la luz solar brillante proporciona una iluminancia de aproximadamente 98 000 lux ( lúmenes por metro cuadrado) en una superficie perpendicular a nivel del mar. La iluminación de una superficie horizontal será considerablemente menor que esta si el Sol no está muy alto en el cielo. Promediado a lo largo de un día, la mayor cantidad de luz solar sobre una superficie horizontal se produce en enero en el Polo Sur (véase insolación ). 

Dividiendo la irradiancia de 1050  W/m² ^por el tamaño del disco solar en estereorradianes se obtiene una radiancia promedio de 15,4  MW por metro cuadrado por estereorradián. (Sin embargo, la radiancia en el centro del disco solar es algo mayor que el promedio en todo el disco debido al oscurecimiento del limbo ). Multiplicando esto por π se obtiene un límite superior para la irradiancia que se puede enfocar en una superficie usando espejos: 48,5  MW/ ^m² . ^{[ 11 ]}

El espectro de la radiación solar del Sol se puede comparar con el de un cuerpo negro ^{[ 12 ] [ 13 ]} con una temperatura de aproximadamente 5800 K ^{[ 14 ]} (ver gráfico). El Sol emite radiación EM en la mayor parte del espectro electromagnético . Aunque la radiación creada en el núcleo solar consiste principalmente en rayos X , la absorción interna y la termalización convierten estos fotones de energía súper alta en fotones de energía más baja antes de que lleguen a la superficie del Sol y se emitan al espacio. Como resultado, la fotosfera del Sol no emite mucha radiación X ( rayos X solares ), aunque sí emite tales "radiaciones duras" como rayos X e incluso rayos gamma durante las erupciones solares . ^{[ 15 ]} El Sol tranquilo (sin erupciones), incluida su corona , emite un amplio rango de longitudes de onda: rayos X , ultravioleta , luz visible , infrarrojo y ondas de radio . ^{[ 16 ]} Las diferentes profundidades en la fotosfera tienen diferentes temperaturas, y esto explica parcialmente las desviaciones de un espectro de cuerpo negro. ^{[ 17 ]} 

También existe un flujo de rayos gamma proveniente del Sol en reposo, que obedece a una ley de potencias entre 0,5 y 2,6 TeV . Algunos rayos gamma son causados ​​por la interacción de rayos cósmicos con la atmósfera solar, pero esto no explica estos hallazgos. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

La única señal directa de los procesos nucleares en el núcleo del Sol es a través de los neutrinos , que interactúan muy débilmente .

Aunque la corona solar es una fuente de radiación ultravioleta extrema y rayos X, estos rayos constituyen solo una cantidad muy pequeña de la potencia emitida por el Sol (véase el espectro a la derecha). El espectro de casi toda (aproximadamente el 98,7 %) de la radiación electromagnética solar que incide en la atmósfera terrestre abarca un rango de 200 nm a unos 4000 nm. ^{[ 21 ]} Esta banda de potencia de radiación significativa se puede dividir en cinco regiones en orden creciente de longitudes de onda : ^{[ 22 ]}

• La radiación ultravioleta  C (UVC) abarca un rango de 100 a 280  nm. El término ultravioleta se refiere a que esta radiación tiene una frecuencia mayor que la luz violeta (y, por lo tanto, es invisible para el ojo humano ). Debido a la absorción atmosférica, muy poca radiación llega a la superficie terrestre . Este espectro de radiación tiene propiedades germicidas , como se utiliza en las lámparas germicidas .
• La radiación ultravioleta  B (UVB) abarca desde los 280 hasta los 315  nm. Es absorbida en gran medida por la atmósfera terrestre y, junto con la UVC, provoca la reacción fotoquímica que da lugar a la formación de la capa de ozono . Daña directamente el ADN y causa quemaduras solares . ^{[ 23 ]} Además de este efecto a corto plazo, acelera el envejecimiento de la piel y promueve significativamente el desarrollo del cáncer de piel, ^{[ 24 ]} pero también es necesaria para la síntesis de vitamina D en la piel de los mamíferos. ^{[ 23 ]}
• La radiación ultravioleta  A (UVA) abarca desde los 315 hasta los 400  nm. Anteriormente se creía que esta banda era menos dañina para el ADN , por lo que se utiliza en el bronceado artificial cosmético ( cabinas y camas de bronceado ) y en la terapia PUVA para la psoriasis . Sin embargo, ahora se sabe que la UVA causa daños significativos al ADN por vías indirectas (formación de radicales libres y especies reactivas de oxígeno ) y puede causar cáncer. ^{[ 25 ]}
• El rango visible o de luz abarca de 380 a 700 nm. ^{[ 26 ]} Como su nombre lo indica, este rango es visible a simple vista.
• El rango infrarrojo abarca desde 700 nm hasta 1.000.000 nm (1 mm ). Constituye una parte importante de la radiación electromagnética que llega a la Tierra. Los científicos dividen el rango infrarrojo en tres tipos según su longitud de onda:  
  • Infrarrojo-A: 700  nm a 1400  nm
  • Infrarrojo B: 1400  nm a 3000  nm
  • Infrarrojo-C: de 3000  nm a 1  mm.

La luz solar que llega a la superficie de la Tierra es 49,4% infrarroja, 42,3% visible y 8% ultravioleta. ^{[ 27 ]}

A veces se afirma que la máxima emisión del Sol se encuentra en el rango visible. Sin embargo, esta afirmación es una idea errónea basada únicamente en la representación gráfica de la irradiancia espectral solar por longitud de onda. Cuando se representa de esa manera, la densidad espectral de potencia de la luz solar alcanza su máximo en una longitud de onda de aproximadamente 501 nm, que se encuentra en el rango visible. Sin embargo, la irradiancia espectral solar puede calcularse con igual validez por frecuencia, en cuyo caso el máximo se encuentra en3,40 × 10¹⁴ Hz , correspondiente a una longitud de onda de aproximadamente 882 nm, que se encuentra en el rango del infrarrojo cercano (infrarrojo A). Aunque ^parezca  contraintuitivo, no tiene sentido afirmar que la emisión solar es máxima en una ubicación precisa del espectro. ^{[ 28 ]}

Los distintos cuerpos del Sistema Solar reciben luz con una intensidad inversamente proporcional al cuadrado de su distancia al Sol.

Una tabla que compara la cantidad de radiación solar recibida por cada planeta del Sistema Solar en la parte superior de su atmósfera: ^{[ 30 ]}

El brillo real de la luz solar que se observaría en la superficie también depende de la presencia y composición de una atmósfera . Por ejemplo, la densa atmósfera de Venus refleja más del 60 % de la luz solar que recibe. La iluminación real de la superficie es de aproximadamente 14 000  lux, comparable a la de la Tierra "durante el día con cielo cubierto". ^{[ 31 ]}

La luz solar en Marte sería más o menos como la luz del día en la Tierra durante un día ligeramente nublado y, como se puede apreciar en las imágenes tomadas por los rovers, hay suficiente radiación difusa del cielo como para que las sombras no parezcan particularmente oscuras. Por lo tanto, la percepción y la sensación serían muy similares a las de la luz del día en la Tierra. El espectro en la superficie es ligeramente más rojizo que el de la Tierra, debido a la dispersión causada por el polvo rojizo en la atmósfera marciana.

En comparación, la luz solar en Saturno es ligeramente más brillante que la luz solar en la Tierra durante el amanecer o el atardecer promedio. Incluso en Plutón, la luz solar sería lo suficientemente brillante como para casi igualar la iluminación de una sala de estar promedio. Para ver una luz solar tan tenue como la luz de la luna llena en la Tierra, se necesita una distancia de aproximadamente 500  UA (~69 horas luz ); solo se han descubierto unos pocos objetos en el Sistema Solar que se sabe que orbitan más lejos que esa distancia, entre ellos 90377 Sedna y (87269) 2000 OO 67 . 

El espectro de iluminación de la superficie depende de la elevación solar debido a los efectos atmosféricos: el componente espectral azul predomina durante el crepúsculo, antes y después del amanecer y el atardecer, respectivamente, mientras que el rojo predomina durante el amanecer y el atardecer. Estos efectos son evidentes en la fotografía con luz natural , donde la principal fuente de iluminación es la luz solar, modulada por la atmósfera.

Si bien el color del cielo suele estar determinado por la dispersión de Rayleigh , se produce una excepción al atardecer y al anochecer. «La absorción preferencial de la luz solar por el ozono a lo largo de trayectorias extensas en el horizonte le da al cielo cenital su color azul cuando el sol está cerca del horizonte». ^{[ 46 ]}

Composición espectral de la luz solar en la superficie terrestre.

Se puede decir que el Sol ilumina , lo cual es una medida de la luz dentro de un rango de sensibilidad específico. Muchos animales (incluidos los humanos) tienen un rango de sensibilidad de aproximadamente 400–700  nm, ^{[ 47 ]} y dadas las condiciones óptimas, la absorción y dispersión por la atmósfera terrestre produce una iluminación que se aproxima a un iluminante de energía igual para la mayor parte de este rango. ^{[ 48 ]} El rango útil para la visión del color en los humanos, por ejemplo, es de aproximadamente 450–650 nm. Aparte de los efectos que surgen al atardecer y al amanecer, la composición espectral cambia principalmente con respecto a la forma en que la luz solar puede iluminar directamente. Cuando la iluminación es indirecta, la dispersión de Rayleigh en la atmósfera superior hará que las longitudes de onda azules dominen. El vapor de agua en la atmósfera inferior produce una mayor dispersión y el ozono, el polvo y las partículas de agua también absorberán longitudes de onda particulares. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

La existencia de casi toda la vida en la Tierra se sustenta en la luz del Sol. La mayoría de los organismos autótrofos , como las plantas, utilizan la energía de la luz solar, combinada con dióxido de carbono y agua, para producir azúcares simples, un proceso conocido como fotosíntesis . Estos azúcares se utilizan posteriormente como componentes básicos y en otras vías sintéticas que permiten al organismo crecer.

Los heterótrofos , como los animales, utilizan la luz solar indirectamente al consumir los productos de los autótrofos, ya sea consumiéndolos a ellos mismos, sus productos o a otros heterótrofos. Los azúcares y otros componentes moleculares producidos por los autótrofos se descomponen, liberando la energía solar almacenada y proporcionando al heterótrofo la energía necesaria para sobrevivir. Este proceso se conoce como respiración celular .

En la prehistoria , los humanos comenzaron a extender este proceso utilizando materiales vegetales y animales para otros fines. Por ejemplo, usaban pieles de animales para abrigarse o armas de madera para cazar. Estas habilidades les permitieron aprovechar mejor la luz solar que mediante la glucólisis, y la población humana comenzó a crecer.

Durante la Revolución Neolítica , la domesticación de plantas y animales incrementó aún más el acceso humano a la energía solar. Los campos de cultivo se enriquecieron con materia vegetal no comestible, que aportó azúcares y nutrientes para futuras cosechas. Los animales que antes solo proporcionaban carne y herramientas a los humanos tras su muerte, ahora se utilizaban para el trabajo durante toda su vida, alimentándose de hierbas no comestibles para los humanos. Los combustibles fósiles son los restos de materia vegetal y animal antigua, formada mediante la energía de la luz solar y atrapada en el interior de la Tierra durante millones de años.

El efecto de la luz solar es relevante para la pintura , como se evidencia, por ejemplo, en las obras de Édouard Manet y Claude Monet sobre escenas al aire libre y paisajes.

Muchas personas encuentran la luz solar directa demasiado brillante para su comodidad; de hecho, mirar directamente al Sol puede causar daños a la visión a largo plazo. ^{[ 51 ]} Para compensar el brillo de la luz solar, muchas personas usan gafas de sol . Los automóviles , muchos cascos y gorras están equipados con viseras para bloquear la visión directa del Sol cuando este se encuentra en un ángulo bajo. La luz solar a menudo se bloquea para que no entre en los edificios mediante el uso de paredes , persianas , toldos , contraventanas , cortinas o árboles de sombra cercanos . La exposición a la luz solar es necesaria biológicamente para la producción de vitamina D en la piel, un compuesto vital necesario para tener huesos y músculos fuertes en el cuerpo.

En muchas religiones del mundo, como el hinduismo , el Sol es considerado un dios , ya que es la fuente de vida y energía en la Tierra. El Sol también era considerado un dios en el Antiguo Egipto .

Baños del sol

Tomar el sol es una actividad de ocio popular que consiste en sentarse o tumbarse bajo la luz solar directa. La gente suele tomar el sol en lugares cómodos con abundante luz solar. Algunos lugares comunes para tomar el sol son las playas , las piscinas al aire libre , los parques , los jardines y las terrazas de los cafés . Quienes toman el sol suelen llevar poca ropa o simplemente lo hacen desnudos . Para algunos, una alternativa a tomar el sol es el uso de camas de bronceado que generan luz ultravioleta y que pueden utilizarse en interiores independientemente de las condiciones climáticas. Las camas de bronceado se han prohibido en varios países del mundo debido a la preocupación por el cáncer de piel. ^{[ 52 ]}

Para muchas personas de piel clara, uno de los objetivos de tomar el sol es oscurecer su tono de piel (broncearse), ya que en algunas culturas esto se considera atractivo y se asocia con actividades al aire libre, vacaciones y salud. Algunas personas prefieren tomar el sol desnudas para conseguir un bronceado uniforme, a veces como parte de un estilo de vida específico.

La helioterapia controlada , o tomar el sol, se ha utilizado como tratamiento para la psoriasis ^{[ 53 ]} y otras dolencias. ^{[ 54 ]}

El bronceado de la piel se produce por un aumento del pigmento oscuro en las células cutáneas llamadas melanocitos , y es un mecanismo de respuesta automática del cuerpo a la exposición suficiente a la radiación ultravioleta del sol o de las lámparas solares artificiales. ^{[ 55 ]} Por lo tanto, el bronceado desaparece gradualmente con el tiempo, cuando ya no se está expuesto a estas fuentes.

La radiación ultravioleta de la luz solar tiene efectos tanto positivos como negativos para la salud, ya que es una fuente principal de vitamina D3 _y un mutágeno . ^{[ 56 ]} Un suplemento dietético puede proporcionar vitamina D sin este efecto mutagénico, ^{[ 57 ]} pero elude los mecanismos naturales que evitarían las sobredosis de vitamina D generadas internamente por la luz solar. La vitamina D tiene una amplia gama de efectos positivos para la salud, que incluyen el fortalecimiento de los huesos ^{[ 58 ]} y posiblemente la inhibición del crecimiento de algunos cánceres. ^{[ 59 ] [ 60 ]} La exposición al sol también se ha asociado con el momento de la síntesis de melatonina , el mantenimiento de ritmos circadianos normales y la reducción del riesgo de trastorno afectivo estacional . ^{[ 61 ]}

La exposición solar insuficiente es responsable de 340 000 muertes anuales en Estados Unidos y 480 000 en Europa. Además, la falta de sol aumenta el riesgo de padecer cáncer de mama , cáncer colorrectal , hipertensión , enfermedades cardiovasculares , síndrome metabólico , esclerosis múltiple , enfermedad de Alzheimer , autismo , asma , diabetes tipo 1 y miopía . ^{[ 62 ]}

Se sabe que la exposición prolongada a la luz solar está asociada con el desarrollo de cáncer de piel , envejecimiento de la piel , inmunosupresión y enfermedades oculares como cataratas y degeneración macular . ^{[ 63 ]} La sobreexposición a corto plazo es la causa de quemaduras solares , ceguera de la nieve y retinopatía solar .

Los rayos UV, y por lo tanto la luz solar y las lámparas solares, son los únicos carcinógenos listados que se sabe que tienen beneficios para la salud, ^{[ 64 ]} y varias organizaciones de salud pública afirman que debe haber un equilibrio entre los riesgos de tener demasiada o muy poca luz solar. ^{[ 65 ]} Hay un consenso general de que siempre se deben evitar las quemaduras solares.

Los datos epidemiológicos muestran que las personas con mayor exposición a la luz solar presentan menor hipertensión y menor mortalidad por enfermedades cardiovasculares. Si bien la luz solar (y sus rayos UV) constituyen un factor de riesgo para el cáncer de piel, «evitar la exposición al sol puede tener más inconvenientes que beneficios para la salud en general». ^{[ 66 ]} Un estudio reveló que no existe evidencia de que los rayos UV reduzcan la esperanza de vida, a diferencia de otros factores de riesgo como el tabaquismo, el alcohol y la hipertensión. ^{[ 66 ]}

Las dosis elevadas de radiación UV -B solar aumentan la frecuencia de recombinación del ADN en plantas de Arabidopsis thaliana y tabaco ( Nicotiana tabacum ). ^{[ 67 ]} Estos aumentos se acompañan de una fuerte inducción de una enzima con un papel clave en la reparación recombinacional del daño del ADN. Por lo tanto, es probable que el nivel de radiación UV-B solar terrestre afecte la estabilidad del genoma en las plantas.

• Temperatura de color
• pérdidas radiativas coronales
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• Lista de ciudades por duración de la luz solar
• Luz de la luna
• contaminación lumínica
• Reflejo de estornudo fótico
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• Energía solar
• Luz de las estrellas
• Rayo de sol : rayos de luz que parecen irradiar desde el Sol. 

• Hartmann, Thom (1998). Las últimas horas de la luz del sol antigua . Londres: Hodder and Stoughton. ISBN 0-340-82243-0.

• Contenido multimedia relacionado con la luz solar en Wikimedia Commons
• Radiación solar – Enciclopedia de la Tierra
• Datos diarios promedio de irradiancia solar total (TSI) en el sitio web del Centro Nacional de Datos Geofísicos.
• Construcción de una serie temporal compuesta de irradiancia solar total (TSI) desde 1978 hasta la actualidad por el Centro Mundial de Radiación, Observatorio Físico-Meteorológico de Davos (pmod wrc).
• Una comparación de métodos para proporcionar datos de radiación solar a modelos de cultivos y sistemas de apoyo a la toma de decisiones , Rivington et al.
• Evaluación de tres modelos de estimación de la radiación solar en 24 estaciones del Reino Unido , Rivington et al.
• Espectro de alta resolución de la radiación solar del Observatorio de París
• Medición de la radiación solar  : Un plan de lección de la Biblioteca Digital Nacional de Ciencias.
• Información astronómica en la web : Herramientas en línea para calcular las horas de salida y puesta del Sol, la Luna o un planeta, el acimut del Sol, la Luna o un planeta al salir y ponerse, la altitud y el acimut del Sol, la Luna o un planeta para una fecha determinada o un rango de fechas, y mucho más.
• Un libro de Excel con una calculadora de series temporales de posición solar y radiación solar; por Greg Pelletier
• Norma ASTM para el espectro solar a nivel del suelo en los EE. UU. (latitud ~37 grados).
• Espectro detallado del Sol en la Imagen Astronómica del Día .