毎日同じ時刻に撮影した太陽の写真には、このような視覚的パターンが見られる…アナレンマと呼ばれるもの。 5860> César Cantú / AstroColors

一日のどの時間帯でも、理論的にはカメラをセットして、空における太陽の見かけ上の位置を包含する風景を撮影することが可能です。 翌日、24時間後にまったく同じ時間に戻ってくると、太陽の位置がわずかに変化していることに気づくでしょう。

  • なぞった形は、8の字を描くように、片方の輪がもう片方より大きくなっている。 地球が太陽の周りを1年に1回公転していることで、最初の部分は説明できますが、太陽が特殊なアナルンマの形をしているのは、いろいろな深い理由が重なっているからなのです。 その理由を探ってみましょう。

    太陽の周りを公転する地球、その自転軸を示す。 太陽系のすべての世界は…軸の傾き、軌道の楕円率、あるいはその両方の組み合わせによって季節が決まっている」

    Wikimedia commons user Tauʻolunga

    太陽の見かけ上の動きの最初の大きな要因は、地球が軸を傾けて太陽の周りを回っているという事実である。 地球の軸は約23.5度傾いているため、1年を通してさまざまな場所で太陽を見ることができ、地平線上の高い位置や低い位置に太陽があることがわかります。 半球が太陽の方向に傾いていると、太陽の最大位置は天頂に近づき、半球が傾いていると、太陽の最大位置は天頂から遠くなります。

    地球の半分が親星に向かって傾いていると、空を通る太陽の経路が長く見え、高く昇り、平均より多くの日照時間を与えてくれます。

    夏至の日に太陽が空を通る経路は、赤道近くの緯度20…度(左)と、赤道から遠い緯度70度(右)で大きく異なる。 後者では、軸の傾きが極からの緯度差よりも大きいため、冬至に太陽が見えることはない。

    Wikimedia Commons user Tauʻolunga

    一般に、地球上では太陽は東から上り、赤道方向に頭上高く上がり、西に下って沈むように見える。 もしあなたが

    • 南緯23.5度より南に住んでいるなら、6月夏至が太陽の最も短く低い軌道を示し、12月夏至が最も長く高い軌道を示すことになる。北緯23.5度以北では、12月夏至が太陽の最も短く最も低い軌道を示し、6月夏至が最も長く最も高い軌道を示す。

    どの場所からでも、ピンホールカメラなどで一年を通して太陽の位置を追跡すると、このようになります。

    太陽が空を通る経路は、夏至から夏至まで、ピンホールカメラを使って追跡することができます。 その最も低い経路は冬至で、太陽は地平線に対して低く下がり、高く上がるという逆転したコースをとり、最も高い経路は夏至に対応します。

    Regina Valkenborgh / www.reginavalkenborgh.com

    しかし、太陽は単に対称的な形で空に昇ったり降りたりしていないようです。 日没と日の出の時刻は1年を通じて変化します。

    この理由は、1年を通じて太陽が見かけ上動いている2番目の主な要因に大きく起因しています。

    楕円軌道を描くということは、単に地球が軌道上のある地点で太陽に近づいたり遠ざかったりすることを意味するのではありません。 また、ケプラーの第二法則により、地球が太陽に近い(近日点)と、より速い軌道速度を持ち、地球が太陽から遠い(遠日点)と、より遅い軌道速度を持つことを意味します。

    惑星がその軌道を安定して動くのは、角運動量の保存のおかげなのです。 角運動量を得たり失ったりする方法がないため、惑星は任意に遠い未来まで楕円の軌道を維持します。

    NASA / JPL

    これだけでは大きな違いはありませんが、今度は別の要素を加えなければなりません:地球は24時間に1回自転しているわけではありません。 その代わり、地球はわずか23時間56分で360°完全に自転します。1日が24時間かかるのは、地球が太陽の周りを公転して移動した距離に「追いつく」ために、この4分間が余分にかかるからです。 しかし、遠日点付近で地球の動きが遅くなると、太陽が同じ位置に戻るのに24時間では長すぎるため、平均よりゆっくり動いているように見えるのです。

    地球軌道の楕円性(左)と軸の傾き(中央)が太陽の位置に与える影響により、地球から観測されるアナルマ型(右)が形成されます。

    Autodesk generated image via the UK

    もし軸の傾きだけが問題で、私たちの軌道が真円だったら、太陽が空に描く道は、水平軸と垂直軸について対称な、まさに完璧な8の字になることでしょう。

    もし私たちが楕円軌道の惑星に住んでいたら、太陽の通り道は単に楕円になるでしょう:ここでは、離心率が太陽の動き方を決める唯一の要因になります。

    しかし、ここ地球では、楕円軌道と軸の傾きの両方があるため、どちらの影響も大きくなります。

    地球が自転し、太陽の周りを楕円で公転するとき、太陽の見かけ上の位置は…この特殊な形で毎日から変化して見えるのです。

    Giuseppe Donatiello / flickr

    地球では、12月夏至から2週間後の1月3日に近日点を迎えます。 私たちの惑星は12月夏至の近くで最も速い速度で運動しているので、(北半球から見た)アナレンマの「下側」は「上側」よりもずっと大きくなり、7月上旬の遠日点と6月夏至が重なるのです。

    時間の方程式は、惑星の軌道の形と軸の傾き、そしてそれらがどのように整列するかによって決定されます。 6月夏至に近い月(地球が太陽から最も遠い位置である遠日点に近づく時)は、最もゆっくりと動くので、この部分のアナレンマがつまって見え、近日点近くで起こる12月夏至は細長くなります。

    Wikimedia Commons user Rob Cook

    つまり、地球から毎日同じ時刻に見た太陽の軌道の形を決めるのは、軸の傾きと楕円率だけなのです。

    しかし、アナレンマの正確な向きを決めるには、さらに2つの要因があります。

    毎日正午に太陽を撮影すると、アナレンマは完全に垂直(左)に見えます……。 正午前(右上)は水平線に対して反時計回りに、正午以降は水平線に対して時計回りに回転して見える。 これらの画像は、地球が丸いことを疑う人たちにとって、さらなる証拠となります。

    シドニー・モーニング・ヘラルド

    そしてもう1つは、写真を撮る時間帯です。

    • 太陽が最も高くなる正午に、アナレンマは完全に垂直に見える。
    • 正午前、太陽が最も高くなる前に、アナレンマは正午の位置から反時計回りに回転して見える。
    • 正午後、太陽が最高に達した後に、アナレンマは正午の位置から時計回りに回転して見える。

    セザール・カントゥの1年分の52枚の合成画像をつなぎ合わせると、メキシコの彼の緯度から午後遅くに太陽を撮影したことがわかりますね。

    1年365日の間に、太陽は軸の傾きで決まる上下の動きだけでなく、太陽の周りの楕円軌道で決まる前後の動きもあるようです。 この2つの効果が合わさったときにできる8の字のつぼみを「アレンマ」と呼ぶ。 ここに掲載した太陽像は、セザール・カントゥがメキシコで1年間に観測した写真から52枚を選んだものです。

    César Cantú / AstroColors

    一番上の点が夏至、一番下の点が冬至にあたることは容易に分かりますが、地球から見た太陽のアナレンマの「交差点」に特別な天文学的意味はないのです。 近日点、遠日点が夏至ではなく春分と一致していれば、火星から見た太陽は8の字型ではなく、涙型のアナレンマになっているはずだ。 アナレンマとは、太陽の軌道と軸の傾きによって8の字を描くように、長い時間をかけて作られた自然で美しい形です。 太陽は、私たちの惑星の宇宙でのユニークな動きによって、宇宙的なピルエットをするのです!

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