太陽

太陽の大きさ

• 地球から太陽までの距離: 「500 光秒」(わざと標準でない単位で書いた。 長さの標準の単位に換算できるようにしておくこと。)
• 太陽の見かけの大きさ: 視直径 (見かけの直径) 約0.5度 (天体は天球に はりついているとみなし、天球の大円を360度としている。)
  • 太陽と月の視直径はだいたい同じ。 軌道が完全な円でないので、太陽のほうが大きいとき(かさなれば金環食)と、 月のほうが大きいとき(かさなれば皆既日食)がある。 ([(*) 図表 1章 21ページ「地球と月」[4 C]「日食・月食のしくみ」]参照。)
• 太陽の直径は? (上記の情報から計算可能。) ... およそ地球の百倍。
  • 太陽の表面積は地球のなん倍? 体積は? (上記の情報から計算可能。 倍率がほしいだけならば、 形はいずれも球で近似でき、相似なので、 面積の倍率は長さの倍率の2乗、体積の倍率は長さの倍率の3乗である。)
• 太陽の質量は? (重力 (万有引力) の法則と地球や惑星の運動とから知ることができた。)
  • 太陽の密度 (体積あたりの質量) は? (太陽を構成する物質は気体あるいはプラズマであると考えられているが、 その密度は、地球大気よりはけたちがいに大きく、 地球の固体部分とくらべると、小さいが、同じけたである。)
• [(*) 図表 1章 32ページ「太陽のすがた」[1 B]「太陽の諸量」]、 付表 216ページ [2]「諸定数」参照。

太陽が出す放射 (電磁波) のスペクトル (←「地学」では黒体放射近似だけあつかう)

恒星のスペクトル型

• [星のあかるさとエネルギーの流れとの関係]の「光のスペクトルと色」のところからつづく。
• (図表 1章 38-39ページ「恒星の明るさと色」
  • [(*) 図表 [5]「恒星の色」] (黒体放射の波長別エネルギー)
  • [(*) 図表 [6]「恒星のスペクトルとその型」]
  • [(*) 図表 [7]「スペクトル型とその特徴」] 参照)

恒星のスペクトルの例としての、太陽のばあい

• スペクトル型は G 型
• 温度 約 6000 K の黒体放射に近い
• 完全な黒体放射ではなく、水素・ヘリウムなどの吸収線もある。
• [(*) 図表 1章 36ページ「太陽のエネルギー」[2]「太陽光線のスペクトル」]参照。
• 太陽が出す放射の大部分は「光球」とよばれる層から出てくる。(そこよりも深いところの物質が出す放射は太陽大気中で吸収される。そこよりも外側の物質が出す放射は量がすくない。) 光球の温度が 約 6000 K であると考えてよい。
• 太陽の層構造については [(*) 図表 1章 32ページ「太陽のすがたと活動」[1 A] 「太陽の構造」] 参照。

太陽が出す放射のエネルギーの流れの量

太陽の放射光度と、いわゆる「太陽定数」

• [星のあかるさとエネルギーの流れとの関係]の「点光源または一様な球面の光源からひろがっていく電磁波」のところからつづく。
• 太陽はあらゆる方向に等方的に放射を出しているとし、 太陽と地球その他の惑星とのあいだに電磁波を吸収・射出する物質はないとみなすと、 太陽を中心とするどの半径の球面でも、単位時間あたり到達するエネルギー量はひとしい。 単位時間・単位面積あたり到達するエネルギー量は、太陽からの距離(球の半径)の2乗に反比例する。
• 太陽・地球間の平均距離で、太陽に正面を向けた面 (太陽と地球を結ぶ線に垂直な面)の 単位面積あたり、単位時間あたりにとどく太陽放射のエネルギー量は、多少変動するが、 1360 W/m² (4けためは無効数字)、1.36 kW/m²。 この数量は(あまりよい表現ではないが)「太陽定数」といわれてきた。
  • [(*) 図表 4章 176ページ「地球の熱平衡」 [1 A]「太陽定数」] 参照。
  • 「太陽定数」は気象学用語で、最近、英語では TSI (total solar irradiance)を 使うほうがふつうになってきたようだが、日本語では「全波長太陽放射照度」ではまだ通じにくい。
  • (用語補足) [(気象むらの方言) 太陽定数] (2012-04-29)
  • 図表の数値は1.37となっているが、 現在いちばん精度がよいと考えられている観測プロジェクト「SORCE」の成果にもとづくと、1.36 のほうがよい。 (SORCE のウェブサイトは https://lasp.colorado.edu/home/sorce/ (英語)。 そのうち「太陽定数」にあたるものは Total Solar Irradiance (TSI)とよばれていて、 その観測データは https://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/ にある。)
• 太陽が単位時間あたりに出す放射のエネルギーの量 (放射光度)は、 いわゆる太陽定数に、太陽・地球間の平均距離を半径とする球の表面積をかければもとめられる。 (太陽・地球間の平均距離が太陽の光球の半径にくらべてじゅうぶん大きいので、 球面とそれに接する平面を同一視する近似で考えてよい。)

太陽活動 (黒点活動)

• 太陽には黒点というものがある。 光球のうちで、まわりより温度が低く、したがって出ていく放射がまわりよりも弱いところである。 また、まわりよりも温度が高く、出ていく放射がまわりよりも強い、「白斑」というものもある。 ([(*) 図表 32ページ [2]「太陽表面のようす」のうち 「黒点と白斑」])
• 黒点数は、約11年周期で変動している。 ([(*) 図表 34ページ「太陽活動と地球」[1 A] 「黒点相対数」]; [「太陽定数」はどのくらい「ほぼ一定」なのか] のページの2番め、3番めのグラフ)。
• また、西暦1645年ごろから1715年ごろには、黒点が少なかった (図表 「黒点相対数」)。 この時期は、「マウンダー(Maunder)極小期」とよばれている。
• 黒点の変動は、太陽の磁場の変動にともなったものである。 地球付近の太陽の磁場の変動は、「磁気あらし」とよばれる現象となり、 電波(とくに、電波用語でいう「短波」)通信のさまたげになることがある。 (図表 35ページ「太陽活動と地球」 [(*) [3 A] 「太陽風と地球磁気圏」], [(*) [4 A] 「磁気あらし」])

太陽活動にともなう太陽放射の変動 (最近の数十年間)

• いわゆる「太陽定数」が定数でないことは予想されていたが、 地上からの、つまり、地球大気をとおした観測では、 「太陽定数」がどのように変動しているかについての信頼できる情報はえられなかった。
• 1957年から、人工衛星が打ち上げられた。 そして、1978年から、人工衛星にのせられた観測機器によって「太陽定数」の観測がつづけられるようになった。 衛星上の機器の較正、とくに数量の目盛りの原点あわせには困難があるが、 複数の衛星の並行観測結果を比較することによって、 1978年秋から最近まで、なるべく質をそろえた観測値の時系列がつくられている。 ([(*) Fröhlich & Lean (2004) の 図9])
  • [「太陽定数」はどのくらい「ほぼ一定」なのか] ←このリンクさきページの最初のグラフを見てください。
• (そのグラフではわかりにくいが) 約27日周期の変動がある。 この周期は、太陽の自転周期である。 そして、この周期の「太陽定数」の変動は、黒点が地球から見えているかどうかによる。 黒点はまわりよりも出す放射が少ないから、 「太陽定数」は、地球から黒点が見えているときに小さく、見えていないときに大きい。
• 約11年周期の変動がある。 変動の振幅は、± 1 W/m² 程度 (「太陽定数」自体の千分の一程度)である。 「太陽定数」が大きいのは、黒点数が多い時期である。 この関係は、黒点自体の効果とは逆になっている。 黒点が多いのは、太陽の光球付近の対流(上下の物質の入れかわり)が活発なときであり、 まわりよりも温度が高い「白斑」も多く、 放射の合計には、白斑の変動のほうが黒点の変動よりも大きくきく、と説明される。
• 図にはしめしていないが、約11年周期の変動は、 波長にわけてみると、紫外線部分の変動で大きい。 Grayほか (2010) の総説論文によれば、 「太陽定数」にあたるTSIについては、約11年周期の変動はTSI自体の約 0.07 % にすぎないのに対して、 オゾンの形成にきいている240～320 nmの紫外線については、 約11年周期の変動は、その波長帯の放射エネルギーの流れ自体の約 4 % になっている。 [(*) Fröhlich & Lean (2004) の 図14] からも (専門家むけの表現であるが) 同様な情報が読みとれる。

太陽が出すエネルギーの流れの量の長期変化 (時間スケール 十億年)

• 太陽の放射の源となるエネルギーが、水素からヘリウムへの核融合で得られていることを前提とした、恒星としての太陽の「進化」の理論 (「地学概論」の「恒星」のところであつかう。暫定的に [2020年度春学期「恒星」のページ]) から、 太陽の光度は、太陽が主系列星になったころ(約45億年まえ)は現在の約70%で、 それからだんだんふえてきたと考えられている。
• 数十年と十億年の中間の時間スケールの変動については、 いろいろな研究がされているが、まだ決定的な知見が得られていない。

太陽系の惑星の位置の単位面積あたりにとどく放射のエネルギー

この授業は恒星の話に進む予定だが、分岐して、太陽系の惑星について少し考えてみる。

太陽系には地球をふくめて8つの惑星がある。 (なお、冥王星も惑星にかぞえられたことがあるが、2006年に学術用語としての「惑星」の定義が改訂され、 冥王星は惑星にふくまれないことになった。) 惑星どうしの環境のちがいにはいろいろな理由があるが、 そのひとつに、太陽からの距離のちがいにともなう、太陽から届く放射のエネルギーの量 (惑星の位置での放射照度)のちがいがある。

[(*) 図表 16ページ「太陽系の構造」のうち「公転軌道」]

[(*) 図表 17ページ「惑星」の表」]

図表 17ページ「惑星」の表の「平均受熱量」 (『理科年表 2021』では「天2-3」ページ下の表の「太陽より受ける輻射量」)が、 この放射照度の、地球のばあいを1とする相対値をしめしている。 これを暗記する必要はないが、数量のけたのちがいをつかんでほしい。

太陽から惑星までの距離は、惑星の軌道が楕円なので、いくらかの変動があるが、 代表としては、楕円の長半径をとればよい。 「惑星」の表に「軌道長半径」としてしめされているものである (『理科年表 2021』では「天2-3」ページ上の表の「軌道長半径」)。 「天文単位」は、地球の軌道長半径を1としたものである。

小課題 (←「地学」)

惑星の位置での放射照度が、太陽からの距離の2乗に反比例するとして、 地球のばあいを1とした相対値を計算してみよう。 それが「平均受熱量」と一致することをたしかめよう (有効数字のとりかたや計算手順による誤差はいくらかある)。 また、各惑星の位置の放射照度の数量を、 地球のばあいの値が 1.36 kW/m² であるとして、計算してみよう。

本の紹介 (太陽に関する入門書の例)

• 上出 洋介 [かみで ようすけ], 2018: 『太陽のきほん』。誠文堂新光社。 {板倉図書館2階} {eBook Library} ... 太陽についての、見開き2ページごとに話題を区切った入門的読みもの。 [読書メモ]
• 上出 洋介, 2011: 『太陽と地球のふしぎな関係』 (ブルーバックス)。講談社。 {板倉図書館 ブルーバックス} {eBook Library} ... 太陽面爆発(フレア)が現代社会にあたえる影響を主題とした入門的読みもの。 [読書メモ]

引用文献 (やや広い意味の専門家向け)

• Claus Fröhlich & Judith Lean, 2004: Solar radiative output and its variability: evidence and mechanisms. The Astronomy and Astrophysics Review, 12: 273-320. DOI: 10.1007/s00159-004-0024-1
• L. J. Gray, J. Beer, M. Geller, J. D. Haigh, M. Lockwood, K. Matthes, U. Cubasch, D. Fleitmann, G. Harrison, L. Hood, J. Luterbacher, G. A. Meehl, D. Shindell, B. van Geel, W. White, 2010: Solar influences on climate. Reviews of Geophysics, 48: RG4001. DOI: 10.1029/2009RG000282