一般教養(自然科学)
第1回 太陽と地球の関係


1.地球の公転と自転

公転運動
 地球は,他の惑星と同じように,太陽の周りを1年(365.2422日)で1周している。これを地球の公転という。その長半径は1億4960万kmで,これを1天文単位と呼び,距離の単位になっている。星座が東から西へ移り変わり,1年で1周するように見えるのも,地球が公転しているための見かけの運動である。
ガリレオ・ガリレイ天動説地動説
・こよみのページ(暦と天文の雑学→閏年(うるうどし)のはなし)http://koyomi.vis.ne.jp/mainindex.htm

自転運動
 地球は,北極と南極を結ぶ軸(自転軸または地軸と呼ぶ)を中心として,西から東へ1日に1回転しており,これを地球の自転と言う。地球が1回自転するのに要する時間は23時間56分4秒である。太陽や星が東から西へ1日に1回転の速さで動いて見えるのは,地球の自転による見かけの運動である。
図1 地球の公転と自転(季節は北半球の場合)

用語説明:北極南極赤道北半球南半球緯度経度子午線北回帰線南回帰線

地球と太陽(地球と太陽)http://www.geocities.co.jp/Technopolis/3231/data/framepage.html
白夜(びゃくや)ってなに? http://www.so-net.ne.jp/kagaku/naze/hon/cat_b_2_33.html
北回帰線http://db.gakken.co.jp/jiten/ka/113680.htm
北回帰線標誌(カオション 高雄だより)http://www5.city.nishiwaki.hyogo.jp/school/el/kusugaoka/tayori/takao/226.htm
オーストラリアのクリスマス(オーストラリア海外研修)http://www.hosho.ac.jp/aust.htm
日の出と日の入(日出没計算)http://koyomi.vis.ne.jp/mainindex.htm
世界の日の出・日の入りhttp://www.canada-travel.jp/sun/index.html
サマータイム(サマータイム問題を考える:http://www.gene.ne.jp/~lagoon/st/


2.太陽高度
 
太陽高度は,観測者から見た太陽の位置の地平線に対する角度で,1日の高度変化の中で最高角度を南中高度と呼びます。南中高度は,観測地の緯度によって異なり,たとえば冬至(とうじ)の時は鹿児島で約35度,札幌で約24度,夏至(げし)の時は鹿児島で約82度,札幌で約70度です。
 太陽の南中高度は,(90度−観測地の緯度+地軸の傾き(23.5度):春分0度〜夏至23.5度〜秋分0度〜冬至−23.5度)で求めることができます。たとえば, 山口市の場合,夏至では(90度−34.1度+23.5度)=79.4度となります。



図2 山口市における四季の太陽高度の変化

用語説明:春分(しゅんぶん)、夏至(げし)、秋分(しゅうぶん)、冬至(とうじ)

緯度経度データhttp://www02.so-net.ne.jp/~fland/fla/flapna/flapna.htm
6月21日 夏至の日の太陽http://www.astroarts.co.jp/alacarte/1998/980621sun/index-j.html
冬至の太陽の高度http://www.netlaputa.ne.jp/~winbird/info/tips/infobox048.html
簡単に作れる太陽位置測定器http://www.edu.pref.ibaraki.jp/center/zyouhou/sozai_db/tigaku/4/taiyou.htm
太陽位置測定器http://www2.crdc.gifu-u.ac.jp/chosa/nanchuu/HOU2.HTML
日時計をつくるhttp://www.biwa.ne.jp/~aiba-k/hidokei.htm
正確に読める日時計http://vicdiy.com/products/s_dial/s_dial.html


3.時差
グリニッジ天文台
グリニッジ天文台http://www.teleradiology.jp/MRI/03_houkoku/ISMRM2001/greenwich/greenwich.html
旧グリニッジ天文台 http://www.shinko-keirin.co.jp/hakubutukan/no5/no5.htm
グリニッジ標準時 【GMT】「GMT+09:00」

日本標準時プロジェクトhttp://jjy.nict.go.jp/
日本の標準時http://www2.nict.go.jp/cgi-bin/JST.pl
標準電波(電波時計)の運用状況http://jjy.nict.go.jp/jjy/index.html
明石市立天文科学館http://www.am12.akashi.hyogo.jp/
子午線、http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%94%BB%E5%83%8F:Hitomarueki-sigosen.jpg
経度緯度情報http://homepage2.nifty.com/itigo-club/gl01.htm
日本とイギリスの時差を求めるにはhttp://www.suken.co.jp/junior_chart/naiyou/15092_12%5E13.pdf
世界の時差表http://www.nta.co.jp/kaigai/junbi/info_02.htm


4.太陽放射
 絶対温度(0K)以上の温度を持つすべての物質は、分子および原子の振動または回転によって生じる放射エネルギーを発生しています。太陽は水素の固まりで、その直径は地球の100倍以上もあり,中心部では水素と水素が融合しヘリウム原子と膨大なエネルギーを作り出しています。太陽表面の温度は6000°Kで,核融合で生じた太陽エネルギー(3.8×1026ジュール/秒)は私たちの目に感じる可視光線や,これより波長の短い紫外線,波長の長い赤外線などの電磁波として放出され,これを太陽放射と呼んでいます。
 短波放射(太陽放射・日射):太陽から射出される放射を短波放射と呼びます。波長領域は 0.25μm 以下の紫外領域から25μm以上の赤外領域に及びますが,通常の観測では全太陽放射エネルギーの約97%が含まれる0.29 〜3μmの波長領域が観測対象となります。
 長波放射:地表から高度約80kmまでの大気の温度は,およそ-50〜80℃の間にあります。この温度に対応する黒体放射の波長領域は,およそ4〜100μmです。



図3 各波長における分光放射照度



図4 電磁波の名称

太陽スペクトルhttp://www.oao.nao.ac.jp/pub/telescope/sun/sun.htm
単位変換http://www.aec.or.jp/unit/unit.html
単位変換(10の整数乗倍を表すSI接頭語)http://www.aec.or.jp/unit/general/hyou/settouji.htm

5.太陽定数
 地球に届く太陽エネルギーの量は,地球が雲に覆われているため,地球表面と大気圏の上面とでは異なっています。大気圏の上面で太陽光線に垂直な単位面積当たり単位時間に入射するエネルギー量を太陽定数と呼びます。太陽と地球の平均距離をとり、大気の吸収がないと仮定した場合,太陽定数はは約2.00cal/min/cm2となります。 1u当たりのkWに換算すると約1.4kW/uになります。
 地球の大気は高度1000kmぐらいまであるとされており,大気は温度の垂直分布によって4つの層に区分される。地表に近い方から対流圏,成層圏,中間圏,熱圏と呼ばれている。

気温の鉛直分布から見た大気の構造http://www.kishou.go.jp/know/whitep/1-1-1.html
大気の層構造−気温分布http://www2u.biglobe.ne.jp/~sirokaze/taiki1.html


6.緯度による太陽放射エネルギーの違い
 球状をしている地球は,太陽高度は低緯度が高く,高緯度ほど低い。このため,単位面積当たりの太陽エネルギーの入射量は低緯度ほど高くなる。太陽高度(h)における単位面積当たりの入射量はsinhに比例する。



図5 緯度における単位面積当たりの太陽エネルギー量の比較
(地学1B,清水書院より引用)

太陽からの受光量http://www.icoffice.co.jp/zukan/en_environment.htm
地学実習/直達日射量の測定http://www.isn.ne.jp/~hiro-y/geology/nissha.html
直達日射計の部屋http://www.edugeo.miyazaki-u.ac.jp/earth/ynonaka/tho.html

7.緯度による熱収支の違い
 低緯度ほど太陽エネルギーの入射量は高いですが,地球全体では熱収支がつりあっています。単位面積当たりの地球からの吸収量と地球からの放射量を緯度別にみると,低緯度では吸収量が多く,高緯度では放射量が多く熱収支が不足しています。



図6 緯度における地球からの吸収量と地球からの放射量の比較
(地学1B,清水書院より引用)

熱が過剰である低緯度から不足している高緯度への熱輸送は,以下の3つの方法で行われています。
 1.大気の大循環による熱輸送
 2.海流による熱輸送
 3.大気中の水蒸気(潜熱)による熱輸送