太陽定数

太陽定数（たいようていすう）

太陽定数とは、地球の大気圏最上部において、太陽光線に対して垂直な単位面積が、単位時間あたりに受け取るエネルギー量（仕事率）を指します。これは、地球が太陽から受け取るエネルギーの指標となる基本的な物理量です。現在、人工衛星による観測などから得られている太陽定数の平均的な値は、約1366 W/m²とされています。

「定数」でありながら変動する性質

「定数」という名前がついていますが、太陽定数は実際には時間とともにわずかに変動しています。最もよく知られている変動は、約11年の周期で繰り返される太陽活動に伴うものです。太陽活動が活発になると、太陽定数もわずかに増加する傾向が見られます。この周期的な変動の幅は平均値に対して約0.1%程度と小さく、地球の平均気温に与える影響も0.1℃程度と見積もられています。この変動が比較的小さいため、「定数」として扱われることが多いのです。

しかし、この周期的な変動とは別に、日単位の短い時間スケールで発生するランダムな変動も存在します。この短期変動は、太陽活動周期に伴う長期的な変動よりも顕著になる場合があり、その変動幅は最大で0.3%に達することもあります。

変動のメカニズム

太陽活動の活発化は、太陽表面に現れる黒点や白斑といった現象と関連しています。黒点は周囲より温度が低く暗いため、その数が増えると太陽からのエネルギー放出を減少させる方向に働きます。一方、白斑は周囲より明るく輝度が高いため、エネルギー放出を増加させます。太陽活動が活発な時期には、黒点も白斑も増加しますが、白斑によるエネルギー増加の効果が黒点による減少効果を上回るため、結果として太陽定数はわずかに増加する傾向が見られます。

また、数十億年という非常に長い時間スケールで見ると、太陽定数は徐々に増加してきました。これは恒星の進化の過程で起こる自然な変化です。例えば、約46億年前に太陽系が誕生した頃の太陽定数は、現在の約7割程度だったと考えられています。

エネルギー計算への応用

太陽定数の値を用いることで、地球が太陽から受け取るエネルギーの総量や、太陽自体が放出するエネルギーの総量を計算できます。太陽定数（約1366 W/m²）に地球の断面積（約1億2740万 km²）を乗じると、地球全体が太陽から受け取っている総エネルギー量が約1.740 × 10¹⁷ Wという値になります。さらに、太陽定数と地球から見た太陽の立体角の関係を利用すれば、太陽が全方向に放出している総エネルギー量、すなわち太陽光度を求めることができ、その値は約3.86 × 10²⁶ Wという膨大なものになります。

測定の歴史

太陽定数の正確な測定は、科学者たちの長年の努力によって進められてきました。19世紀初頭、クロード・プイエやジョン・ハーシェルなどが初期の測定を試み、プイエは1228 W/m²という値を報告しています。サミュエル・ラングレーは高地での測定によって大気の影響を排除しようとしましたが、初期の結果は不正確なものでした。20世紀前半には、チャールズ・アボットらが長期にわたり高地で観測を続け、より信頼性の高い値を得ています。

現代では、大気の影響を受けない人工衛星やロケットを用いた直接観測が可能となり、太陽定数の値が約1366 W/m²であること、そして微小な変動が存在することがより詳細に観測されています。国際機関である世界気象機関（WMO）が、かつて1367 W/m²という値を推奨したこともあり、この値が参照される場合もあります。

地表面への到達エネルギー

太陽定数は大気圏最上部での値であり、実際に地表面に到達する太陽エネルギーはこれよりも少なくなります。入射した太陽エネルギーの約30%は、大気や雲によって反射・散乱され、宇宙空間に戻されます。地表面には、残りの約70%が到達すると考えられています。

さらに、地表面に到達する単位面積あたりのエネルギー量は、太陽光の入射角に大きく依存します。入射角は、場所の緯度、季節、時刻によって常に変化するため、同じ場所でも受け取るエネルギー量は大きく変動します。例えば、大気による損失を考慮しても、東京（北緯35.7度）のような場所では、太陽高度が低い冬至の正午における日射エネルギーは、快晴時でも約491 W/m²程度（理論計算値に基づく例）にとどまるなど、入射角が小さい場合は受け取るエネルギー量も少なくなります。

太陽定数は、地球のエネルギー収支を理解する上で極めて重要な要素であり、気候変動の研究などにも関連が深い物理量です。

もう一度検索