天王星は、自転軸が大きく傾いた惑星として知られています。「横倒しで回る」という説明を聞くと、いつも同じ半球だけに太陽が当たるように思えるかもしれません。
しかし、天王星は自転するだけでなく、太陽の周りを公転しています。自転軸の向きを保つ模型で太陽の周りを一周させると、太陽を向く側の極が入れ替わります。横倒しという一枚の姿勢だけで、一年を通した昼夜を決めないことが大切です。
傾きの角度は、何を基準に測ったか
天王星の自転軸の傾きは約98度と表されます。これは、公転面に垂直な向きを基準にした角度です。「公転面そのものから98度」と読むと、基準の線を取り違えます。
地球の自転軸の傾きでも、基準となる線が問題になります。図に角度が書かれていたら、二本の線のどちらとどちらの間なのかを確認しましょう。数字だけを覚えていても、基準が違えば図に正しく置けません。
天王星では、赤道面が公転面にほぼ直角となるほど傾いています。実物が完全に90度ではないことを踏まえ、本稿の説明図では関係をつかむために横倒しを強調します。
自転と公転は、違う時間の動き
自転は惑星自身が回る運動、公転は太陽の周りを回る運動です。天王星の公転周期は地球の年で約84年です。一方、自転はそれよりはるかに短い時間で起きています。公転が遅いから、惑星自身がほとんど回らないという意味ではありません。
自転軸が太陽の方を向く時期には、一方の極付近が長い間照らされ、反対側は暗い状態が続きます。しかし、公転して位置が変わると、日射の条件も変化します。常に同じ側が照らされ続けるわけではありません。
場所によっても昼夜の現れ方は異なります。極付近の説明を、そのまま赤道付近へ適用しないでください。惑星全体を一つの点で表した図だけでは、各地点の日の出や日の入りを説明しきれません。
例題1：半周後には、どちらの極が太陽を向く？
自転軸がほぼ公転面に沿い、その向きを空間に対して保つ模型を考えます。ある位置では北側の極が太陽を向いていました。太陽の周りを半周すると、どちら側の極が太陽を向くようになりますか。
答え・解説： 南側の極です。軸の向きは保ったままでも、惑星から太陽を見る向きが反対になるためです。移動のたびに北側の極を太陽へ向け直す模型ではありません。そのように軸を回してしまうと、条件の異なる運動になります。
「一季節は約21年」は、時間を分ける模型
公転一周を四つの等しい区間に分けるなら、84÷4＝21年です。天王星の長い季節を大まかにつかむときに使える数ですが、地球の春夏秋冬と同じ気温や天候が21年ずつ続くという意味ではありません。
季節を決める日射条件と、大気がどれくらい温まるかは別の話です。熱のたまり方や大気の動きによって、温度の応答には時間差が生じ得ます。照らされる時間が長いから、その瞬間に必ず最も高温になるとまでは言えません。
また、天王星は地球より太陽から遠く、受ける日射の条件も違います。自転軸の傾きだけを使って、地球と天王星の温度を直接比較することはできません。何をそろえた模型なのかを明確にします。
例題2：84年を四つに分けて位置を追う
公転周期を84地球年とし、円軌道を一定の速さで進む模型です。北側の極が太陽を向く位置を出発点とすると、四分の一周後と半周後は、それぞれ何年後ですか。
答え・解説： 四分の一周後は84÷4＝21年後、半周後は84÷2＝42年後です。42年後には例題1のように、太陽を向く極が反対になります。この計算から、全地点で42年間ずっと昼、続いて42年間ずっと夜になるとは言えません。緯度と姿勢を考える必要があります。
傾きの原因まで、図だけから決めない
天王星の大きな傾きがどう生じたかについては、研究が行われています。横倒しの現在の姿を見ただけで、どんな物体がいつ衝突したかを一つに決めることはできません。本稿では、現在の姿勢を使って照らされ方を考える範囲に絞ります。
模型を動かすときは、軸の両端に別々の色を付け、部屋の同じ方向へ向けたまま公転させると、向け直していないかを確かめやすくなります。どの地点が明るいかを見るときには、光源側からではなく、惑星側の位置関係へ視点を移します。
観測する向きの変化は土星の環の見え方、自転と見かけの位置の違いは静止衛星の運動とも関連します。回るという言葉を一種類にまとめず、何が何の周りを動くかを指定してください。
図を紙の上で回転させても、太陽に対する軸の向きの関係は変わりません。上を北と決めつけるのでなく、極を示した記号を追うことが大切です。太陽の周りを半周した二つの位置では、軸を平行に保って置きます。毎回太陽の方へ軸を向け直してしまうと、どちらの極に光が届くかが変わらない模型になってしまいます。自分で丸と棒を描いてみるときも、軸を示す棒を動かす規則を最初に決めてください。