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地学分野の「太陽の動き」を理解するために必要な2つのこととは?|なるほどなっとく 中学受験理科

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2022年11月24日 水溜 兼一(Playce)

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学習範囲が広く、難しいイメージがある理科の中学入試問題。難関校に多くの子どもを合格させてきたカリスマ講師・小川眞士さんが、子どもの理科力を育むためのヒントを伝えます。

中学受験の理科の地学分野の問題では、日本における春分・秋分、夏至、冬至の太陽の動きを問われることがあります。さらに、日本だけでなく、南半球や北極・南極などでの太陽の動きを聞かれることもあります。太陽の動きをどのように理解すればいいのかを小川先生に聞きました。

春分・秋分は、昼と夜の長さが同じ?

地球は太陽の周りを約1年かけて回っていることや、地球は約1日で360度自転していることは、多くのお子さんもご存じだと思います。また、冬は夏よりも早く日が暮れる、夏と冬では物の影の長さが違うといったことを、普段の生活の中で実感することもあるでしょう。

季節によって日の長さや影の長さが変わるのは、地軸が傾いたまま太陽のまわりを公転しているからです。地軸が傾くことで地球のさまざまな場所によって太陽の光の当たり方が変わります。ちなみに地軸の傾きは、公転している面に垂直な方向に対して、23.4度です。

 

夏至の頃には、太陽の光があたる角度が北半球で高く(南半球で低く)なります。逆に冬至の頃には、北半球で低く(南半球で高く)なります。もしも地軸が傾いていなければ、いつでも春分・秋分と同じように太陽があたる角度は同じです。

ところで、みなさんは春分と秋分はどんな日だと思いますか?

「昼と夜の長さが同じ日」と答える方がいらっしゃいますが、じつは違います。なぜなら、日の出は、太陽の上端が地平線(または水平線)に接する瞬間のことをいい、日の入りは太陽が地平線(または水平線)に沈み切った瞬間を指します。日の出から日の入りまでを昼とするので、春分・秋分の日は、昼の時間が、おおよそ12時間8分となり、昼が夜より長くなります。春分と秋分の日は、正しくは、太陽が春分点と秋分点(※)を通る日で、この日は太陽が真東から出て真西に沈みます。

 

 

※春分点・秋分点:天の赤道と黄道との交点のうち、黄道が南から北へと横切る点を春分点といい、北から南へと横切る点を秋分点という。

さて、太陽は東から出て西に沈みますが、毎日必ず一度、真南を通過します。太陽が真南に来たときの角度を南中高度といいます。北半球の南中高度は、下記のように求められます。

春分・秋分の南中高度:90-その土地の緯度

夏至:春分・秋分の南中高度+23.4(地軸が傾いている角度)

冬至:春分・秋分の南中高度-23.4(地軸が傾いている角度)

たとえば東京は北緯36度なので、

春分・秋分の日の南中高度:90-36=54度

夏至:54+23.4=77.4度

冬至:54-23.4=30.6度

となります。

太陽の動きで間違えやすいこととは?

太陽の動きを理解するためには、まず、下図のような透明半球をイメージしてください。プラネタリウムの丸い天井のようなものです。そして、東西と南北それぞれを結んだ線が交わるところに自分がいて、空を見上げていると仮定します。

 

では、この透明半球に、春分・秋分、夏至、冬至それぞれの太陽の動きを書き込んでみましょう。私は授業や保護者会でこの問題をよく出すのですが、下記のように答える生徒や保護者の方が多く見られます。

 

どこかがおかしいのですが、お気づきでしょうか?

どの時季の太陽も、真東から出て真西に沈んでいます。おそらく、「太陽は東から出て西に沈む」と教わっているので、このような線を描いてしまうのだと思います。しかし、これでは、どの時季も昼と夜の長さがほぼ同じように見えますね。子どもたちに「この動きで本当に正しい?」と聞くと、描いた本人も何か違和感を覚えるようです。なぜかと言うと、夏の方が冬よりも昼の長さが長いことは体感で知っているからです。正しくは、下記のような動きになります。

真東と真西から出るのは、春分・秋分だけで、夏至は北寄りから、冬至は南寄りから太陽が昇ります。しかし、大事なのはそこではなく、“地球上にいる人間からは、太陽は北極星と自分(透明半球の中心)を結んだ線(地軸)を軸に動いているように見えること”を理解することです。

先ほど紹介した、太陽の動きを間違えた図でも、春分と秋分の太陽の動きは正しく書いてあるので、この春分・秋分の太陽の動く線さえ描ければ、夏至と冬至の太陽の動きを表した線は、すいかを輪切りにするように、春分・秋分の太陽の動きを表した線を平行移動させるだけです。基準となる北極星は地軸の延長上にあるので、地球が自転しても公転しても北極星は常に動きません。そして北極星の高度は観察点の緯度に等しくなります。ここまで述べたことが理解できれば、太陽の動きを理解できたことになります。

親御さんの中には、「地球が太陽の周りをまわっているのであって、太陽が地軸を軸に回転しているのはおかしいのでは?」と思われる方がいらっしゃるかもしれません。おっしゃるように地球が太陽のまわりを回っていますが、それは宇宙から太陽や地球を眺めた場合の話です。地球にいる私たちから見ると、地球ではなく太陽が動いているように見えますね。それは星も同様です。その現象を理解するためには、地軸をベースに考えると分かりやすいのです。天体を理解するときには、自分がどこから太陽や星を眺めているのかを考えながら説明しないと混乱します。子どもに太陽の動きを説明するときには、「あなたはいま地球にいて、空を眺めている。すると太陽はこう動いているように見えるよ」と伝えることが大事です(ある意味、天動説となります)。

世界各地の太陽の動きが簡単に分かる!?

前述した透明半球を球にしてみると、地軸を中心とした太陽の動きがさらに理解しやすいかもしれません。実線が昼で点線が夜です。

 

入試では、太陽の動きについて、赤道、北極、南極、南半球など世界各地の太陽の動きを聞かれることがあります。「太陽は地軸を中心に回転している」ことを理解できていれば、あとは上の図の地軸の傾きを変えれば、各地の太陽の動きがわかります。

赤道の緯度は0度ですから、上図の地軸を右に傾けていき水平にします。すると下図のようになります。赤道では一年中、太陽は地平線に直角に昇って直角に沈み、昼と夜の長さはほぼ等しいことがわかります。

 

北極は、北緯90度ですから、下図のように地軸が地面に対して90度になります。太陽は一年中地平線に平行に動くことが理解できますね。さらに、日本が冬至の頃、北極では太陽は地平線よりも下を回転していますから、北極では冬は一日中、太陽が昇らないこともわかります。

 

 

南極は、南緯90度ですから、上図を180度回転させます。やはり太陽は一年中地平線に平行に動くことが理解できますね。日本が夏至の頃、南極では太陽は地平線よりも下を回転していますから、南極では夏は一日中、太陽が昇らないこともわかります。

 

 

南極以外の南半球のある地点(南緯36度)の太陽の動きも見てみましょう。下図のように地軸を回転させます。この図を見ると、南半球でも太陽は東から出て西に沈むことがわかります。そして、日本が夏至の頃、南半球では太陽が最も北寄りの東から出て、北の空に上って、北寄りの西に沈むことや、日本が冬至の頃、南半球では太陽が最も南寄りの東から出て、北の空高く上って、南寄りの西に沈むことがわかります。

まとめ

苦手になりがちな理科の天体問題。太陽の動きを理解するためには、「透明半球(または球)で太陽の動きをイメージすること」「地球上にいる人間からは、太陽は北極星と自分(透明半球の中心)を結んだ線を軸に動いているように見えること」の2つをおさえることが必要です。

※記事の内容は執筆時点のものです

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小川眞士
小川眞士 専門家・プロ

小川理科研究所(東京都豊島区)主宰。都内の中学校教諭を経て、四谷大塚進学教室理科講師に。開成や桜蔭の特別コースを約25年間担当、コース生28人全員が開成中学に合格した実績を持つ。教務主任や副室長も務めた。2009年4月に小川理科研究所を開設。主な著書に、『中学受験 理科のグラフ完全制覇』(ダイヤモンド社)、『これだけ理科』(森上教育研究所スキル研究会)、『カンペキ小学理科』(技術評論社)がある。

この記事の著者

雑誌・新聞の編集・ライターを経て、現在は、通信教育企業のキュレーションサイトや大学案内のライティングなどを担当。