宇宙から見る地球：緯度と季節で変わる太陽の光Earth from Space: Sunlight by Latitude and Season

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

1. 東京（北緯35°）で、夏至の日と冬至の日では太陽の南中高度はどちらが高いと思いますか。また、その差はおよそ何度くらいだと思いますか。In Tokyo (35° N), is the noon Sun higher on the June solstice or on the December solstice? Roughly how many degrees do you think the difference is?💡 地軸の傾きの角度（約23.4°）が、季節によってどちら向きにはたらくかを考えてみよう。Think about which way the axis tilt (about 23.4°) points toward or away from the Sun in each season.
2. 北極に近い地域（北緯70°など）では、1日の中で太陽がまったく沈まない日や、まったく昇らない日があると思いますか。あるとしたらいつごろだと思いますか。In regions near the North Pole (for example 70° N), do you think there are days when the Sun never sets or never rises at all? If so, around what time of year?💡 地球が自転するとき、北極付近の地点が昼の側と夜の側のどちらを通るかを想像してみよう。Imagine whether a point near the North Pole passes through the day side or the night side as Earth spins.

2動かしてみようTry it

1. 「自転を停止」を押して止める。「季節（1月1日=0日）」のスライダーを「春分」「夏至」「秋分」「冬至」の目盛りに合わせ、地軸の傾き、黄色い「太陽が真上になる緯度」の線、パネルの「赤緯δ」がどう変わるかを観察する。太陽光の矢印が平行であることも確かめる。Press "Stop rotation". Move the "Season (Jan 1 = day 0)" slider to the "Equinox", "Solstice", "Equinox" and "Solstice" ticks in turn, and watch how the axis tilt, the yellow "Sun overhead at" line and "Declination δ" in the panel change. Also check that the sunlight arrows are parallel.
2. 「緯度（北緯が＋）」を北緯35.0°にし、季節を夏至（172日目）と冬至（355日目）にして、図の「南中高度」の角度と、パネルの「南中高度」「昼の長さ（目安）」を記録する。Set "Latitude (north = +)" to 35.0° N, set the season to the June solstice (Day 172) and the December solstice (Day 355), and record the "Noon Sun height" angle in the diagram and the "Noon Sun height" and "Length of daytime (approx.)" values in the panel.
3. 季節を夏至にしたまま、緯度を0°（赤道）、北緯23.5°、南緯35.0°に変えて、南中高度を記録する。南中高度が90°（真上）になるのはどの緯度かを探す。Keeping the June solstice, change the latitude to 0° (Equator), 23.5° N and 35.0° S and record the noon Sun height. Find the latitude where the noon Sun height becomes 90° (directly overhead).
4. 緯度を北緯70.0°にし、「自転を再生」を押す。夏至、春分、冬至でオレンジ色の地点が昼側と夜側のどちらを通るか、画面に出る「太陽が沈まない（極昼）」「太陽が出ない（極夜）」の表示とあわせて観察する。Set the latitude to 70.0° N and press "Play rotation". At the June solstice, the March equinox and the December solstice, watch whether the moving point passes through the day side or the night side, together with the "Sun never sets (polar day)" or "Sun never rises (polar night)" message on screen.

3確かめようCheck

1. 夏至・冬至・春分（秋分）のとき、太陽が真上になる緯度（赤緯δ）はそれぞれ何度ですか。At the June solstice, the December solstice and the equinoxes, what is the latitude where the Sun is overhead (declination δ)?→ 夏至は+23.4°（北緯23.4°、北極側が太陽の方へ傾く）、冬至は−23.4°（南緯23.4°、北極側が太陽と反対へ傾く）、春分・秋分はほぼ0°（赤道）。June solstice: +23.4° (23.4° N; the North Pole tilts toward the Sun). December solstice: −23.4° (23.4° S; the North Pole tilts away). Equinoxes: about 0° (the Equator).
2. 北緯35°での夏至と冬至の南中高度と昼の長さはいくらでしたか。What were the noon Sun height and the length of daytime at 35° N on the two solstices?→ 夏至は南中高度約78.4°、昼の長さ約14.4時間。冬至は南中高度約31.6°、昼の長さ約9.6時間。差は約47°（23.4°の2倍）である。春分では55.0°、12.0時間になる。June solstice: about 78.4° and about 14.4 hours. December solstice: about 31.6° and about 9.6 hours. The difference is about 47° (twice 23.4°). At the March equinox it is 55.0° and 12.0 hours.
3. 夏至の日に南中高度が90°になるのはどの緯度でしたか。赤道や南緯35°ではどうでしたか。On the June solstice, at which latitude did the noon Sun height reach 90°? What about at the Equator and at 35° S?→ 北緯23.4°付近（スライダーでは北緯23.5°で89.9°）で、黄色い「太陽が真上になる緯度」と同じ緯度。赤道では66.6°、南緯35°では31.6°と低くなる（南半球では冬）。Around 23.4° N (89.9° at 23.5° N on the slider), the same latitude as the yellow "Sun overhead at" line. At the Equator it is 66.6°, and at 35° S it is only 31.6° (it is winter in the Southern Hemisphere).
4. 北緯70°で自転させると、夏至と冬至では地点はどう動きましたか。At 70° N with rotation playing, how did the point move on the two solstices?→ 夏至では地点が1日中昼側から出ず「太陽が沈まない（極昼）」、昼の長さは24時間。冬至では1日中夜側のままで「太陽が出ない（極夜）」、昼の長さは0時間（南中高度も−3.4°で地平線の下）。春分・秋分ごろは昼と夜がほぼ12時間ずつになる。On the June solstice the point never leaves the day side all day ("Sun never sets (polar day)", 24 h of daytime). On the December solstice it stays on the night side all day ("Sun never rises (polar night)", 0 h; the noon Sun height is −3.4°, below the horizon). Around the equinoxes day and night are about 12 hours each.

4考えようThink further

1. 南中高度は「90° −（緯度とδの差）」で求められます。なぜこの式になるのか、図の「天頂」「地平線」と平行な太陽光を使って説明しよう。The noon Sun height equals 90° minus the difference between the latitude and δ. Explain why, using the "Zenith", the "Horizon" and the parallel sunlight in the diagram.→ 太陽光はどこでも平行なので、太陽が真上になる緯度δの地点では光が天頂から来る（南中高度90°）。そこから緯度が1°ずれると、地面（地平線）の向きも1°ずれるので、光と天頂の間の角も1°ずつ大きくなる。だから南中高度は90°から緯度とδの差を引いた値になる。例：北緯35°の夏至は90°−(35°−23.4°)＝78.4°、冬至は90°−(35°+23.4°)＝31.6°。Sunlight arrives everywhere in parallel, so at the latitude δ where the Sun is overhead the light comes from the zenith (90°). Moving 1° of latitude away tilts the ground (horizon) by 1°, so the angle between the light and the zenith grows by 1°. Therefore the noon Sun height is 90° minus the difference between the latitude and δ. Example: at 35° N, June solstice 90° − (35° − 23.4°) = 78.4°, December solstice 90° − (35° + 23.4°) = 31.6°.
2. 地軸が傾いていなかったら（δがいつも0°だったら）、日本の季節はどうなると考えられますか。If Earth's axis were not tilted (δ always 0°), what would happen to the seasons in Japan?→ 1年中、春分・秋分と同じ状態になる。北緯35°では南中高度は1年中55°、昼の長さも1年中12時間で変わらないので、太陽から受けるエネルギーが季節で変わらず、夏と冬のような季節の変化はほとんど起こらない。Every day would be like an equinox. At 35° N the noon Sun height would stay at 55° and daytime at 12 hours all year, so the energy received from the Sun would not change with the seasons, and there would be almost no summer–winter change.

よくある誤解Common misconceptions

• 「夏に暑いのは、地球が太陽に近づくからだ」→ 季節の変化は地軸の傾きによって南中高度と昼の長さが変わるために起こる。実際、北半球の夏（7月初め）は地球が太陽から最も遠いころである。"It is hot in summer because Earth is closer to the Sun." Seasons happen because the axis tilt changes the noon Sun height and the length of daytime. In fact, Earth is farthest from the Sun in early July, during the Northern Hemisphere summer.
• 「太陽は夏至の日に日本の真上を通る」→ 南中高度が90°になるのは北緯23.4°より南（赤道との間）の地域だけで、北緯35°付近の日本では夏至でも約78°である。"On the June solstice the Sun passes directly over Japan." The Sun can be directly overhead only between 23.4° N and 23.4° S; around 35° N in Japan the noon Sun reaches only about 78° even on the June solstice.

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