自転軸の傾きと四季Earth's Tilt and the Seasons

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 地球が太陽のまわりを1周する間、自転軸の向きは公転に合わせて回ると思いますか、それとも同じ向きのままだと思いますか。While Earth goes once around the Sun, do you think the direction of its axis turns along with the orbit, or stays pointing the same way?💡 北極星が1年中ほぼ同じ方向(真北の空)に見えることを思い出しましょう。Remember that Polaris is seen in almost the same direction (due north) all year round.
2. もし自転軸がまったく傾いていなかったら(傾き 0°)、日本の正午の太陽高度や昼の長さは1年でどう変わると思いますか。If Earth's axis were not tilted at all (tilt 0°), how do you think the noon sun altitude and day length in Japan would change over a year?💡 傾きがないとき、太陽光は1年中どの緯度の上に垂直に当たるでしょうか。With no tilt, over which latitude would sunlight shine straight down all year?

2動かしてみようTry it

1. 「⏸ 停止」を押して自動公転を止める。「観測地点の緯度」を「北緯 35°(日本付近)」にしたまま「季節(公転位置)」を 0° → 90° → 180° → 270° と動かし、上の公転図で赤線(自転軸)の向きと昼夜の境界、右の数値パネルの「赤緯 δ」「正午高度 h」「昼の長さ」を記録する。Press "⏸ Pause" to stop the automatic orbit. With "Observer latitude" at "35°N (near Japan)", move "Season (orbit position)" to 0° → 90° → 180° → 270°. Record the direction of the red line (Earth's axis) and the day–night boundary in the orbit view, and the "Declination δ", "Noon altitude h" and "Day length" values in the panel.
2. 季節 90°(夏至)と 270°(冬至)で、左下の「正午の断面」図に描かれた太陽光の当たり方と太陽高度、右下の「北緯35°の正午太陽高度(1年)」グラフの印の位置を比べる。At 90° (summer solstice) and 270° (winter solstice), compare how sunlight strikes the "Noon cross-section" diagram at bottom left, the sun altitude shown there, and the position of the marker on the "Noon sun altitude at 35°N (1 year)" graph at bottom right.
3. 「自転軸の傾き」スライダーを 0° にして、季節を 90° と 270° に動かし、赤緯・正午高度・昼の長さが変わるかどうかを確かめる。次に 45° にして夏至(90°)の値を調べる。Set the "Axial tilt" slider to 0° and move the season to 90° and 270°. Check whether the declination, noon altitude and day length change. Then set the tilt to 45° and look at the values at the summer solstice (90°).
4. 傾きを 23.4° に戻し、「観測地点の緯度」を「北緯 66.6°(北極圏の境界)」と「北緯 90°(北極点)」にして、夏至(90°)と冬至(270°)の昼の長さを確かめる。Return the tilt to 23.4°, set "Observer latitude" to "66.6°N (Arctic Circle)" and "90°N (North Pole)", and check the day length at the summer solstice (90°) and winter solstice (270°).
5. 「北緯 0°(赤道)」を選び、春分(0°)・夏至(90°)・冬至(270°)の正午高度と昼の長さを比べる。Choose "0°N (Equator)" and compare the noon altitude and day length at the spring equinox (0°), summer solstice (90°) and winter solstice (270°).

3確かめようCheck

1. 公転図で、地球が軌道上を動くとき自転軸(赤線)の向きはどうなっていましたか。夏至と冬至では北半球はどちらに傾いていましたか。In the orbit view, what happened to the direction of the axis (red line) as Earth moved around its orbit? Which way was the Northern Hemisphere tilted at the summer and winter solstices?→ 赤線はどの位置でも北極星の方向へ同じ向きのまま平行移動していた。夏至(90°)では北半球が太陽側に傾き、冬至(270°)では太陽と反対側に傾いていた。春分・秋分ではどちらにも傾いていなかった。The red line kept the same direction toward Polaris at every position, simply moving parallel to itself. At the summer solstice (90°) the Northern Hemisphere tilted toward the Sun, and at the winter solstice (270°) away from it. At the equinoxes it tilted neither way.
2. 北緯 35° で、夏至と冬至の正午高度と昼の長さはいくらでしたか。春分・秋分ではどうでしたか。At 35°N, what were the noon altitude and day length at the summer and winter solstices? What about at the equinoxes?→ 夏至は δ = 23.40° で正午高度 78.40°、昼の長さ 14.4 時間。冬至は δ = −23.40° で正午高度 31.60°、昼の長さ 9.6 時間。春分・秋分は δ = 0° で正午高度 55.00°、昼の長さ 12.0 時間だった。At the summer solstice, δ = 23.40°, the noon altitude was 78.40° and the day length 14.4 hours. At the winter solstice, δ = −23.40°, the noon altitude was 31.60° and the day length 9.6 hours. At the equinoxes, δ = 0°, the noon altitude was 55.00° and the day length 12.0 hours.
3. 自転軸の傾きを 0° にすると、どうなりましたか。What happened when the axial tilt was set to 0°?→ どの季節でも赤緯は 0.00° のままで、北緯 35° の正午高度は常に 55.00°、昼の長さは常に 12.0 時間になり、年変化が消えた。傾きを 45° にすると夏至の正午高度は 80.00°、昼の長さは 17.9 時間となり、季節の差がさらに大きくなった。The declination stayed at 0.00° in every season, so at 35°N the noon altitude was always 55.00° and the day length always 12.0 hours: the yearly change disappeared. With a tilt of 45°, the summer-solstice noon altitude became 80.00° and the day length 17.9 hours, making the seasonal difference even larger.
4. 北緯 66.6° と北緯 90° では、夏至と冬至の昼の長さはどうなりましたか。At 66.6°N and 90°N, what was the day length at the summer and winter solstices?→ 北緯 66.6° では夏至が「24時間(極昼の境界)」、冬至が「0時間(極夜の境界)」で、冬至の正午高度は 0.00° だった。北緯 90° では夏至が「24時間(極昼)」、冬至が「0時間(極夜)」で、冬至の正午高度は −23.40°(地平線の下)だった。At 66.6°N the summer solstice showed "24 hours (edge of midnight sun)" and the winter solstice "0 hours (edge of polar night)", with a winter noon altitude of 0.00°. At 90°N the summer solstice showed "24 hours (midnight sun)" and the winter solstice "0 hours (polar night)", with a winter noon altitude of −23.40° (below the horizon).

4考えようThink further

1. 夏が暑く冬が寒いのは、正午の太陽高度が変わることとどう関係しているでしょうか。「夏は地球が太陽に近いから」という考えと比べて説明しましょう。How is the noon sun altitude related to summer being hot and winter being cold? Explain by comparing it with the idea that "summer is when Earth is closer to the Sun."→ 太陽高度が高いほど、同じ面積の地面が受ける光のエネルギーが多くなる(光が垂直に近い角度で集中して当たる)。さらに昼の長さも長くなるので、1日に受ける熱が多い。北緯 35° では夏至 78.4°・14.4 時間、冬至 31.6°・9.6 時間と大きく違う。季節は自転軸の傾きで生じるので、北半球が夏のとき南半球は冬になる。距離が原因なら両半球が同時に夏になるはずで、説明できない。The higher the sun, the more light energy each patch of ground receives, because the light arrives closer to straight down and is more concentrated. The day is also longer, so more heat is received each day. At 35°N, the summer solstice gives 78.4° and 14.4 hours, while the winter solstice gives only 31.6° and 9.6 hours. Seasons come from the axial tilt, so when it is summer in the Northern Hemisphere it is winter in the Southern Hemisphere. If distance were the cause, both hemispheres would have summer at the same time, which does not happen.
2. 赤道(北緯 0°)では、なぜ1年中昼の長さが 12 時間で、正午高度が春分・秋分に 90°、夏至・冬至に 66.6° になるのでしょうか。Why is the day length at the Equator (0°N) always 12 hours, with a noon altitude of 90° at the equinoxes and 66.6° at the solstices?→ φ = 0° では tanφ = 0 なので tanφ·tanδ = 0 となり、赤緯に関係なく昼の長さは 12 時間になる。正午高度は 90° − |0° − δ| なので、δ = 0° の春分・秋分では真上(90°)、δ = ±23.4° の夏至・冬至では 66.6° になる。At φ = 0°, tanφ = 0, so tanφ·tanδ = 0 and the day length is 12 hours regardless of declination. The noon altitude is 90° − |0° − δ|, so it is straight overhead (90°) at the equinoxes (δ = 0°) and 66.6° at the solstices (δ = ±23.4°).

よくある誤解Common misconceptions

• 「夏は地球が太陽に近づくから暑い」という誤解。季節の原因は自転軸の傾きによる太陽高度と昼の長さの変化であり、このモデルでも公転軌道は円で、距離は変わらないのに四季が生じる。"Summer is hot because Earth gets closer to the Sun." Seasons are caused by changes in sun altitude and day length due to the axial tilt; in this model the orbit is a circle with constant distance, yet seasons still occur.
• 「自転軸は公転に合わせて、いつも太陽の方へ(または同じ側へ)傾いている」という誤解。軸は宇宙の同じ方向を向いたままなので、太陽に対する傾き方が公転位置によって変わる。"The axis turns with the orbit, always leaning toward (or the same way relative to) the Sun." The axis keeps pointing the same direction in space, so how it leans relative to the Sun changes with orbital position.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)