中学受験理科講座　地球と太陽(1)〜緯度・経度と日周運動〜

地球と太陽(1)　解説動画

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地球上での位置の表し方

緯度と経度

Haru_You

突然だけど、日本って世界地図のどの辺にある？

えー、なんか真ん中よりちょっと右上な感じ？

はるか

Haru_You

なんていわれても伝わりにくいよね。
だから地球上での位置を示す住所のようなものが必要なんだ。

それが緯度と経度ってこと？

はるか

Haru_You

そうだね、緯度と経度で位置を表す。
地球上での南北の位置を緯度で表し、東西の位置を経度で表すんだ。
日本の位置は緯度が北緯35度、経度は東経135度ってところかな。

緯線のひきかた

緯度を決める緯線はどうやって引いているの？

はるか

Haru_You

まず、地球を横向きに輪切りにしたときの直径が赤道という線になってね。
その赤道を緯度0度って決めたんだ。
で、北極と南極をそれぞれ北緯90度と南緯90度にして、横線で等分していったんだよ。

赤道を基準にして緯線を引いたんだね。
回帰線ってのはなんの線なの？

はるか

Haru_You

北緯23.4度が北回帰線、南緯23.4度が南回帰線だね。
北回帰線は冬至の日に太陽が真上を通る線、南回帰線は夏至の日にの太陽が真上を通る線なんだ。
この23.4度っていうのは、地軸の傾きに等しい数字だね。

経線のひきかた

緯線が横に輪切りなら、経線はたてに輪切りにするんだよね。
経線はなにを基準に引いたの？

はるか

Haru_You

イギリスのロンドンにある、旧グリニジ天文台が基準だね。
旧グリニジ天文台を通る線を0度の経線（本初子午線）にして、東西180度ずつで地球を一周するように経線を引いたんだ。

旧グリニジってことは、新グリニジもあるの？

はるか

Haru_You

グリニジは昔イギリスが世界の中心だったころに使ってた天文台で、今は観測とかはしてないから旧グリニジ天文台、て呼ぶんだ。
だから新グリニジ天文台があるわけじゃないよ。
実際のところ、現在の本初子午線はグリニジ子午線から100mくらいずれてるんだけどね。

緯度のはじっこは北極と南極だったけど、180度の経線のところは何かあるの？

はるか

Haru_You

180度の経線付近には日付変更線という線が設定されているね。
ただ、日付変更線は海上を通るように少しギザギザしているから、ぴったり180度ではないよ。

経度と時差

経度と標準時

Haru_You

地球が丸いということは知ってるよね。
そしたら、地球上には太陽があたって昼になる場所と、その反対側で夜になる場所があるのはわかるよね。

うん、なんとなくわかる。
だって、USAで「どっちかの夜は昼間」って言ってたもん。

はるか

Haru_You

だから場所によって時刻の差、いわゆる時差が生まれるんだ。
太陽は東から西へ動いて見えるよね。
だから、東ほど早く朝が来る＝西の地点より先に時刻が進んでいる、てことになる。

場所によって違うっていうけど、時刻はどうやって決めてるの？

はるか

Haru_You

経線の真上を太陽が通過する瞬間、をその地点の正午、午後0時と決めたんだ。
だから昔は各地に旅行へ行ったときに、その土地の太陽を見て時計を合わせてたらしいね。
でもそれでは不便なので、今は経度15°おきの正午に合わせて、国や地域ごとに標準時としているよ。
で、日本の標準時を決める経線、標準時子午線は東経135°で、兵庫県明石市を通るんだ。

経度15°おき、ていうのはどうして？
日本だったら東京の東経139°にあわせてもいいじゃん。

はるか

Haru_You

この15°って数字はいろいろなとこで出てくるから覚えておいて。
地球は24時間で1回転＝360°動くじゃん。
そしたら、地球は1時間で360÷24=15°動く計算になるだろ。
だから、経度15°で区切れば各地の時差を1時間ずつにできるんだ。

時差の計算

Haru_You

それでは、実際に時差の計算をしてみよう。
東経135°の日本が1月2日午前11時のとき、ロンドン（東経0°）とニューヨーク（西経75°）の時刻を求めよう。

日本からロンドンは135°違うから、135÷15＝9時間差だよね。
えーと、9時間どうすればいいんだ？

はるか

Haru_You

西に進む（東経が減る、西経が増える）ときは時計の針を戻すって覚えておこう。

てことは、9時間戻して1月2日の午前2時か。
日本の方が東だから先に朝になったってことだね。。

はるか

Haru_You

そうだね、逆に東に進む（東経が増える、西経が減る）ときは時計の針を進めるんだ。

次はニューヨークだね。
ロンドンから75°西だから、日本から見て135+75=210°西だよね。
210°÷15＝14時間戻して、ニューヨークは1月1日の午後9時かな。

はるか

Haru_You

うん、そうだね。
東経と西経をまたぐときはいったん0°のロンドンに戻る方が間違えないよ。
戻らずに日付変更線をまたぐときは、東に進むときは1日戻して、西に進むときは1日進めるんだ。

なんで？

はるか

Haru_You

だってそうしないと、東に進み続ければどんどん未来に行くし、西に進み続けると過去へ戻っちゃうだろ。
どっかで調整しないといけないじゃん。

太陽の日周運動と南中高度

日周運動と南中

Haru_You

太陽も月も星も、みんな東から上るっていうの、疑問に思わない？。
1つくらい西から上ってきたっていいじゃんって思わないかな。

う～ん、そう言われると･･･。
いや、だまされないぞ。
だって、太陽や星が動いて上ってるんじゃないよね。

はるか

Haru_You

正解。
地球が1日に1回西から東へ自転するから、太陽や月や星は1日に1回東から西へ1周するように見えるんだ。
だから西から上る星は絶対にないことがわかるね。
で、この見た目だけの太陽の動きのことを太陽の日周運動というんだ。

でもさ、太陽が東から上って西へ進むとき、まっすぐ空の天頂へ上らずに、斜めに南の空を通っていくよね。
あれはどうして？

はるか

Haru_You

日本より南側の赤道付近で、太陽は地面と垂直になるような位置にあるから、南の空に見えるんだ。
で、南の空で一番高く上がることを南中という。

あれ？じゃあその赤道付近より南側にいたら、太陽は北に見えるってこと？

はるか

Haru_You

うん、南半球にあるオーストラリアなんかでは、太陽や星は東から出て、北の空で北中し、西に沈むよ。

緯度と南中高度

Haru_You

で、南中したときの太陽の高度を南中高度という。
この太陽の高度ってどうやってはかるかわかる？

え～と、富士山より高いとか、見た目で何mとか･･･？

はるか

Haru_You

これはちょっと言葉の使い方が悪いんだけど、ここでいう高度ってのは高さのことじゃなく、水平線・地平線と太陽の作る角度のことなんだ。
下の図を見てね。

なんで直接赤い線の太陽高度をはからずに、青い線のところをはかるの？
90°ずらせば同じ大きさになるのはわかるけど。

はるか

Haru_You

地上では、水平線の0°を取るのが難しいからだよ。
おもりは必ず90°真下に向かうから、そこを基準にはかってるんだ。

なるほど。
で、こうやって測る必要があるってことは、太陽の南中高度は一定じゃなくって、季節や場所によって異なるってことだよね。

はるか

Haru_You

場所での変化について言うと、南中高度はその土地の緯度によって決まるんだ。
だから、緯度が同じ地点では、経度が異なっても、同じ日の南中高度は等しくなる。

じゃあ、緯度がわかってれば南中高度もわかるってこと？

はるか

Haru_You

いや、さらに季節によっての変化があるんだ。
これは次回で話をするね。
ただ、日本で同じ日に観測するならば、南の地方ほど南中高度が高く、北の地方ほど南中高度は低くなるよ。
下の図のように、北緯が35度違う2地点間なら、南中高度も35度異なるんだよ。
回帰線の内側や南半球ではまたちがうんだけどね。

経度と南中時刻

南中時刻の計算

太陽は東から西に進む（ように見える）から、東にある場所のほうが先に南中するってことになるよね。

はるか

Haru_You

そうだね、日本では標準時子午線を東経135度、兵庫県明石市の南中を正午12時と決めていたのは覚えているね。
だから、明石市より東（東経135度より大きい）地域では太陽の南中時刻は12時より前、明石市より西（東経135度より小さい）地域では太陽の南中時刻は12時より後になるよ。
で、経度が同じなら緯度が異なっても南中時刻は同時になるんだ。

太陽、というか地球の自転のスピードって一定だよね。
だったら各地の南中時刻って計算できないかな？

はるか

Haru_You

地球は1日=24時間=1440分で360°回転するから、1°動くのに1440÷360=4分かかる計算になるね。
だから、経度1°につき4分ずつ、明石より東では南中が早く、明石より西では南中が遅くなるってことだ。

じゃあ、東経139°の東京は明石より（139-135）×4＝16分早く、11時44分に南中するんだね。
東経140°の長崎は（140-135）×4＝20分遅く、12時20分か。

はるか

Haru_You

これは理論上の数値で実際には誤差がでるけどね。
実際の値により近いのは、（日の出の時刻+日の入りの時刻）÷2＝南中時刻って式かな。
ちょうど真ん中に来る瞬間を出す考え方だね。

じゃあ、日の出が6時20分で日の入りが18時10分だと、（6時20分+18時10分）÷2＝24時30分÷2＝12時15分に南中、ってなるんだね。

はるか

地温・気温の日較差

地温・気温・南中高度のグラフ

Haru_You

「熱の伝わり方」という内容で3種類の熱の伝わり方を習ったよね。
そこで太陽の熱の伝わり方が出てきたんだけど、覚えてるかな？

伝導と、対流と、放射！
で、太陽の熱は離れたところを直接暖める放射熱だったよね。

はるか

Haru_You

うん、だから太陽の熱は空気ではなく地面を暖め、地温を上げるんだね。
そして、暖められた地面の熱が空気を暖めて気温が上がるんだ。

ということは、一日の中で地温が最高になるタイミングと、気温が最高になるタイミングはちがうんだ。

はるか

Haru_You

その通り。
太陽の熱が一番効率よく地表に伝わるのは、高度が高い、すなわち南中する12時ごろだけど、地温が最高になるのは13時ごろ、気温が最高になるのは14時ごろ、となるんだ。
下のグラフは覚えておいてね。

それぞれのグラフが最高点に達するタイミングを見ればいいんだね。
早い順に南中高度、地温、気温だ。

はるか

Haru_You

あとは、地温の方が1日の温度変化=日較差が大きいってのを見ておいて。
日較差は雨や曇りの日は小さくなるので、グラフから天気も想像できるんだよ。

地球と太陽(1)　まとめ

・地球上の南北の位置は緯度、東西の位置は経度で表す
・緯線は赤道を基準に、南北を90度に分けて表す
・経線はイギリスのロンドンにある旧グリニジ天文台を通る本初子午線を基準に、東西を180度に分けて表す
・経度15度につき1時間の時差が生まれ、東ほど時計が進んでいる
・日本の標準時子午線は東経135度で、兵庫県明石市を通る
・同緯度の地点では、太陽の南中高度は等しくなり、日本では北ほど低く、南ほど高くなる
・同経度の地点では、太陽の南中時刻は等しくなり、経度1度につき4分差になる
・1日の中で最高点に達する時刻は太陽高度（12時）→地温（13時）→気温(14時）の順

地球と太陽(1)　演習問題プリント

演習プリントには、Excelファイル版とPDFファイル版があります。
Excelファイル版はリロード・再計算（F8）するたびに数字や配列が変わります。
マクロは使用していませんので、セキュリティ警告はありません。
なお、PDF版では20問の収録ですが、Excel版にはより多くの問題を収録しています。

はるか