季節はどうして変わるの？

仕組みの科学

国立天文台の暦計算室は、季節変化の骨格を三行で示す。自転軸の向きは、地球の公転面（黄道面）に対して垂直ではなく、約二十三・四度傾いている。この状態で公転すると、北極側が太陽を向く時期が北半球の夏かつ南半球の冬になり、南極側が太陽を向く時期が南半球の夏かつ北半球の冬になる。そして自転軸が太陽に垂直な時期、すなわち太陽が赤道上にくるときが春と秋である。つまり、地球が自転軸を傾けたまま公転することによって季節が変化する。この傾きが日射の受け取り方をどう変えるかを、天文学辞典が数値で示している。北緯約三十五度の地点で、南中時の太陽光の入射角度は冬至で約三十二度、春分と秋分で約五十五度、夏至で約七十八度になる。太陽光の入射角が小さいほど、単位面積あたりに地表面に入射する太陽エネルギーは小さい。このため冬至の頃には地面や海面が最も温まりにくく、夏至の頃には最も温まりやすい。加えて、昼間の長さが冬至の頃は最も短く夏至の頃に最も長いことも気温の変化に影響している。角度と時間、二つの効果が重なって季節ができるのだ。

歴史と発見

季節の理由をめぐっては、いまも根強い誤解が残っている。天文学辞典は、中学校理科で学ぶ「季節の変化」の主要因について二つの誤解が広く見られると述べ、その第一に、太陽と地球の距離の違いが原因であるという誤解を挙げている。地球の公転軌道は太陽を一つの焦点とする楕円であり、距離は年間を通じてわずかに変わる。しかし気温が夏に高く冬に低いのは距離のせいではなく、実際にはその逆だとされる。国立天文台の暦計算室も同じ点をはっきり否定している。太陽に近づくと夏、遠ざかると冬、ではない。極端な楕円軌道の天体なら距離の変化で季節が起こることもあるが、地球の軌道はほぼ円形で、距離はそれほど大きく変化しない。むしろ、太陽から最も遠く離れるのは七月上旬ごろである。北半球が真夏を迎えるまさにその時期に、地球は太陽から最も遠い。この一点を知るだけで、距離説は成り立たなくなる。誤解が長く生き延びてきたのは、「近い＝暑い」という日常の直感が強すぎるからだろう。天体の話では、直感より幾何のほうが正しい。

もう一歩先

傾きが季節を作るなら、傾きが違えばどうなるのか。国立天文台の暦計算室は思考実験を用意している。もし自転軸が公転面に対して垂直だとしたら、常に太陽は赤道上にあり、季節変化は生じなくなる。水星や金星はそのような状態にある。逆に自転軸が公転面に対して横倒しなら、極端に昼の長い夏と極端に夜の長い冬ができ、差の激しい季節変化になる。約二十三・四度という値は、その中間にある。適度な傾きが、生きものにとってほどよい四季を生んでいるわけだ。この角度は身近な計算にも直結する。国立天文台のよくある質問では、夏至のときの太陽の南中高度は九十からその場所の北緯を引いて二十三・四を足した値、冬至のときは同じく二十三・四を引いた値で求められると説明されている。自宅の緯度を当てはめれば、真夏と真冬の太陽の高さが手計算で出る。緯度による違いも大きい。天文学辞典によれば、季節変化は高緯度地域で最も顕著で、赤道付近ではそれほど顕著ではない。北極圏や南極圏では、夏に白夜、冬に極夜が訪れる。同じ傾きが、場所によってまったく違う季節を描き出している。