星から来る光は、地球の大気を通って目に届きます。空気の性質は高さによって変わるため、光の経路が曲がり、天体が実際の幾何学的な方向より高く見えることがあります。この見かけのずれを大気差と呼びます。天体そのものが急に持ち上がったのではなく、届く光の向きが変わったと考えます。
目は、届いた光の方向へ見返す
目に入った光の道を、最後の向きのまま真っすぐ後ろへ延長すると、見かけの天体の方向になります。実際には途中で経路が曲がっているので、空気がなかった場合の方向とは一致しないことがあります。水の中の物が浅く見える現象と同様に、物の位置と光から判断した位置を区別する考え方が役立ちます。
ただし、大気は透明な板一枚ではありません。高さとともに性質が連続的に変わるため、図では曲線で表すことがあります。模式図に引いた曲線は地球の形や大気の厚さを実寸で示すものではなく、経路の違いを見やすく強調した線です。空に一本の光る筋が見えるという意味でもありません。
地平線に近いほど、補正が重要になる
一般に、低い高度の天体ほど大気差が大きくなりやすく、天頂付近では小さくなります。また、気温や気圧などの大気の状態によっても変わります。したがって、一つの補正値を一晩中、どの高度の天体にも同じように使うとは限りません。問題に表が与えられた場合は、その条件に対応した値を読みます。
地平線ぎりぎりの観測では、空気の状態や地形などの影響も大きくなります。遠くの山の稜線と、理想的な地平線も同じではありません。天体が山に隠れた瞬間を、平らな地平線での出没時刻と同じものとして扱わないようにしてください。観測地点の高さや見通しも、記録の条件になります。
例題1 実際の高度を求める
ある星の観測高度が10.2度でした。この問題では、大気によって実際の方向より0.2度高く見えていたものとします。大気がないと考えた幾何学的な高度は何度ですか。
答え・解説： 10.2－0.2＝10.0度です。「高く見える」ので、観測した値からずれを引きます。補正という言葉を見て機械的に足すのではなく、実際の星、見かけの星、差の三つを図に書きましょう。0.2度はこの問題の指定値で、どの星にもいつでも使える定数ではありません。
日の出の説明には、太陽の大きさも入る
太陽は点ではなく、見かけの大きさを持つ円盤です。日の出を太陽の上端が見え始める時刻として考えるとき、中心が地平線へ達する時刻とは一致しません。そこへ大気差の効果も加わります。したがって「中心が地平線に来たら日の出」という単純な図は、何を省略した模型かを明示する必要があります。
このため、春分や秋分だから観測上の昼が必ずちょうど12時間になる、とは限りません。ただし、ここでは暦全体を説明するのではなく、見かけの角度を補正する読み方に注目します。太陽の上端、中心、大気によるずれを別々の線で描くと、一つの現象に複数の条件が重なっていることが見えてきます。太陽を直接見て角度を測る実験は行わず、観測資料を使って考えます。
例題2 同じだけ上がったように見える？
時刻Aの幾何学的高度は5.0度、大気差は0.3度でした。時刻Bの幾何学的高度は15.0度、大気差は0.1度でした。見かけの高度はそれぞれ何度で、AからBへ何度変わりましたか。値は全てこの問題の仮の条件です。
答え・解説： Aは5.0＋0.3＝5.3度、Bは15.0＋0.1＝15.1度です。見かけの変化は15.1－5.3＝9.8度です。幾何学的高度は10.0度変化しましたが、両時刻で補正量が違うため、観測値の差は9.8度になります。同じ補正を両方から引けば差が変わらない、という考え方をここでは使えません。
観測した値を「間違い」と呼ばない
見かけの高度は、装置が実際に受け取った光の方向の記録です。大気差があるから測定が無意味になるのではありません。何を知りたいかに応じて、光の通り道の影響を補正します。観測値の欄と補正後の欄を分けておけば、後から補正の条件を見直すこともできます。
同じ星を別の日に測って値が少し違っても、すぐ星の運動の変化と決めないことが重要です。観測時刻、場所、機器、空気の条件がそろっているかを調べます。天体を読む理科では、空の現象だけでなく、地上からどのように見ているかも問題の一部なのです。
空気の影響を別の観察で見るなら星のまたたき、観測者の位置関係は天体の方位と時刻で確かめられます。
補正表の角度の単位にも注意が必要です。時刻で使う分と、角度の分は別の量です。角度では一度を六十分に分けますが、天体の動く速さの条件がなければ、その数字をそのまま経過時間へ読み替えることはできません。表の見出しへ単位を書き足し、数値の大きさだけで判断しないようにします。