「地球」という表現が適切であること、 つまり、大地がだいたい球のような形であることは、今では常識としてよいだろう。 200年くらい前は一般の人のあいだで常識でなかったし、 500年くらい前には長距離の航海をする人のあいだでも常識ではなかったから、 このような認識が広く認められるようになった過程も考えてみる価値があるのだが、 わたしにはそこまで深入りできない。 また、「だいたい球」であって、もう少し詳しく言うと球よりも回転楕円体に近く、 さらに詳しく言うと楕円体からもずれている、という話もあるのだが、ひとまず見送ろう。
地球の大きさを、われわれは直接実感することができない。 しかし、幸い、長さの単位としての「メートル」になじんでいるおかげで、 大きさを覚えることはむずかしくない。 地球の半径を覚えようとしないほうがよい。 地球ひとまわりの円周の長さが、4万キロメートル、 ここでキロは千を意味するので、4千万メートル、という数値を覚えるのがよいと思う。 昔は長さの単位が国によってまちまちだった。 近代になって、それを統一しようということになった。 フランス革命の前後にわたる時期のフランスで、科学者の提案に基づいて、 地球の表面にそって赤道から極までの長さを十進法できりのいい分割をして 人間のからだの大きさと同じ程度になるものを1メートルとしようということになった。 きりのいい分割とは実際には10の7乗分の1つまり1千万分の1だ。 (ここで「地球の表面にそって」と言ったが、地形のでこぼこに沿うわけではない。 もう少し正確には地球を近似する回転楕円体の表面に沿って、ということだ。)
ものさしを作るのにいつも地球を参照するわけにいかないので、 メートル原器という基準のものさしが作られ、それがメートルの定義ということになった。 その後測量しなおしてみると、地球の赤道から極までの長さは正確に1千万メートルではない。 さらにその後、メートルの定義は変わってきた。 最新の定義を確認するには「理科年表」の最新号を見るとよい。 定義は地球の大きさに立ちもどることはなく、メートル原器から精密化を進めている。 したがって、精密なことを言えば、地球の大きさはメートルできりのいい値ではない。 しかし、概算をするうえでは、メートルの構想段階の定義は役にたつ。
地球の大きさがだいたいこのくらいであることを、 今でも通用する方法で、初めて認識したのは、 西暦紀元前240年ごろにエジプトのアレクサンドリアにいたギリシャ人のエラトステネス (Eratosthenes)だと言われている。 エラトステネスは、エジプトの南の端のほうの今のアスワンのあたりでは 夏至の日に太陽の光が井戸の底に届くという情報を得た。 つまり太陽が頭の真上、天頂にあるということだ。 アレクサンドリアで、鉛直にたてた棒の影から、太陽の方向が天頂となす角を求め、 アレクサンドリアからアスワンまでの距離の情報を組み合わせると、 地球の大きさがわかる。 当時の長さの単位からメートルへの換算が正確にわからないので、 エラトステネスが得た値の精度を議論するのはむずかしいが、 数量の桁は合っており、さらに10進法1桁で数値が合っていたと推測されている。
エラトステネスの方法にはいくつかの前提がある。 太陽からの光が直進すること、 太陽は地球の大きさに比べてじゅうぶん遠くにあるので、地球上の別々の位置から太陽への方向は平行とみなせること、 などだ。
さて、「球」ということばは、球の中身を含めた3次元の立体、「球体」を意味することもあれば、 球の表面である2次元の曲面、「球面」を意味することもある。 また、3次元ではあるが、表面付近の、球の半径に比べれば薄い層、「球殻」を意味することもある。 地球については、「気圏、水圏、岩石圏」のように「圏」ということばをよく使う。 この「圏」に対応する英語は「-sphere」だ。 「Sphere」は球だが、「なになにsphere」という複合語は、球殻のような形を想定している。 たとえば気圏(atmosphere)は、大気圏あるいは大気ともいうが、 地球の表面付近を球殻の形でとりまく気体の層なのだ。 水圏(hydrosphere)の意味は少し違ったものがなんとおりかあるが、 ここでは地球の表面付近をとりまく液体の水の層としておこう。 これは完全な球殻にはなっていないけれども、それに近いと言えるだろう。 雪氷圏(cryosphere)ということばもある。 英語はギリシャ語で「つめたい」という意味のkryosから来ているので語源に忠実に「寒冷圏」ということもある。 これは地球の表面付近をとりまく氷を全体としてさすことばだ。雪も含む。 これは地球の表面の大部分を覆ってはいないが、その無視できない割合を覆っている。 「圏」という用語はこういうものも含む使いかたをする。
ここまで「地球の表面」という表現をしてきたけれども、 ここで「地表面」という用語を定義して使うことにする。 陸では大気と固体地球(岩石圏)との境界面、つまり地面をさし、 海や湖では大気と水圏との境界面、つまり海面・湖面をさす。
これと区別して、固体地球と水圏の境界面を問題にしたいことがある。 海では「海底」でよいだろう。 地面と海底をつないだものをさす一般的な名まえはない。 わたしは「固体地球の表面」という表現をするかもしれない。
なぜ球殻あるいは「圏」を考えるのが適切なことが多いのかと考えてみると、 それは、地球上の物体に働く力として重力が重要だからだ。 地球上の物体に働く重力は、 その物体と地球のさまざまな部分との間に働く力の合力だが、 地球が均一な球ならば、地球の質量はその中心に集中しているとみなしてよい。 また、全体が均一でなくても、それぞれが均一な同心球殻の集まりならば、 やはり地球の中心に集中しているとみなしてよい。 したがって、地球上では、重力は地球の中心に向かう力であり、 球面が、重力に垂直な方向に延長した面、つまり水平面ということになる。 ここで、地球が自転していることを考慮に入れると、もう少し複雑になる。 それは「遠心力」という概念を説明するところでふれたい。 また、実際の地球の質量分布と、完全に均一な同心球殻との違いもあるが、 それに関する理屈はこの授業では省略する。 (不均一な質量分布の実例は紹介するかもしれない。)