地球の運動の授業

地球の運動の概観

地球は同時に二種類の運動をしています。地軸のまわりの自転（周期は約 1 日）と、太陽のまわりの公転（周期は約 1 年）です。自転は昼夜の交替と時差をもたらし、公転に地軸の傾きが加わることで、太陽直射点の移動、昼夜の長さ、正午の太陽高度の変化が起き、最終的に四季が生まれます。

視点をドラッグして回転し、ホイールで拡大縮小します。日付をドラッグするか「一年を再生」をクリックすると、地球が軌道に沿って動く様子が見られます。

地軸がいつも同じ方向を向くこと（北極星の近く）に注目してください。そのため一年のうち、北半球が太陽のほうを向く時期と、背ける時期があります。

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地球の自転

地球は地軸のまわりを西から東へ回転します。北極の上空から見ると反時計回り、南極の上空から見ると時計回り。

角速度：南北の極点を除き、各地でおよそ 15°/時。

線速度：赤道で最大約 1670 km/h、両極へ向かって小さくなり、60° では赤道の約半分、極点では 0 です。図の金色の矢印の長さが、線速度の大きさを表します。

昼夜の交替と明暗境界線

地球は不透明で自ら光らず、太陽に照らされた半分が昼半球、もう半分が夜半球、両者の境界を明暗境界線といいます。自転とともに、夜から昼へ入る側が明けの境界線、昼から夜へ入る側が暮れの境界線。

明暗境界線 ⟂ 太陽光線明暗境界線上の太陽高度は 0° です。明暗境界線は赤道を二等分するので、赤道では一年中、昼夜の長さが等しくなります。

都市のラベルを見てください。北京、ロンドン、ニューヨークは自転とともに順に昼へ入り、経度が 15° 違うごとに地方時は 1 時間ずれ、東が早く西が遅くなります。

「北極上空からの見下ろし」に切り替えると、試験で最もよく出る日照図の視点になります。反時計回りに自転し、明けの境界線は反時計回りの前方にあります。

地球の公転

地球は太陽のまわりを西から東へ公転し、周期は 1 恒星年（365日6時9分10秒）です。公転軌道はほぼ円に近い楕円で、太陽は一つの焦点にあります：1月初めに近日点を通過し、公転速度は比較的速い；7月初めに遠日点を通過し、速度は比較的遅い。

黄道傾斜角 23°26′赤道面（青い環）と黄道面（金色の環）のなす角です。地軸は公転のあいだもいつも北極星の近くを向き、傾きの向きは変わりません。

黄道傾斜角があるため、太陽直射点は南北の回帰線のあいだを往復します。次の節へ進みましょう。

北半球の冬半年は地球が太陽に近く、公転も速いので、冬半年（約 179 日）は夏半年（約 186 日）より短くなります。

太陽直射点の移動

黄道傾斜角があるため、太陽直射点は南北の回帰線のあいだを往復し、その周期は一つの回帰年（365日5時48分46秒）です。

昼夜の長短

明暗境界線は緯線の円を昼弧（金色）と夜弧（青色）に分けます。昼弧が長いほど昼は長くなります。昼の長さ = 昼弧の角度 ÷ 15°。

太陽が直射する半球では、その半球は昼が長く夜が短くなり、しかも緯度が高いほど昼が長くなります。北極圏の内側では極昼。

赤道は一年中、昼夜の長さが等しく、春分・秋分には地球全体で昼夜の長さが等しくなります。

夏至の日、北半球の各地で昼の長さは一年の最大になります。冬至の日には最小になります。

直射点が北へ動くと北半球の昼はしだいに長くなり、南へ動くとしだいに短くなります。

正午の太陽高度

正午の太陽高度は、一日のうちで最大の太陽高度角です。それは太陽直射点から南北の両側へ向かって小さくなり、緯度差と関係します：

北回帰線以北：夏至の日に最大、冬至の日に最小。

南回帰線以南では、冬至の日に最大、夏至の日に最小です。

南北の回帰線のあいだでは、一年に二回直射があります（回帰線上では一回です）。

建物の間隔：冬至の正午に1階まで日光が届くようにします。建物の間隔 ≥ 建物の高さ × cot H冬至（右下は、選んだ緯度ですでに計算してあります）。

太陽熱温水器：集熱板と地面のなす角 = 90° − H とし、日光が板面に直角に当たるようにします。

四季の移り変わり

昼夜の長さと正午の太陽高度が季節とともに変わり、各地が受け取る太陽の熱が異なるため、四季ができます。天文上の意味では、夏は一年のうち昼が最も長く、太陽が最も高い季節で、冬はその逆、春と秋は移り変わりの季節です。

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