高校受験の理科 太陽系と惑星—太陽と惑星の特徴から金星の見え方を説明する｜武蔵野個別指導塾

太陽と地球、金星の位置から明るい側と見かけの大きさをたどり、真夜中に見えるかを考える鍵は金星です。

よくあるのは、明るい金星なら夜空のどこでも見えると思い、真夜中にも見えると答える場面です。金星は太陽の周りを回り、地球より内側にあります。地球から見ると太陽と金星の方向が大きく離れないため、見える時刻には限りがあります。まず太陽と惑星の違いを押さえ、次に宇宙からの位置関係と地上からの見え方をつなげましょう。図は位置関係を考えるための模式図で、天体の大きさや距離の比は実際どおりではありません。

位置と光から考える問題

出方の1つは、太陽と惑星の特徴を文章から選ぶ問題です。太陽は自ら光を出す恒星で、惑星は太陽の周りを公転し、主に太陽の光を反射して見えます。星の名前だけで覚えるのではなく、光の出どころを答える練習が必要です。黒点を観察した記録から、太陽が自転していることを読み取る問題もあります。

2つ目は、惑星を性質によって分ける問題です。地球型惑星と木星型惑星の例や、表面と大きさの特徴を比べます。太陽からの順番を確認しながら、分類の名前を別の惑星に取り違えていないか調べます。分類は、惑星が自ら光を出すかどうかを分けるものではありません。

3つ目は、地球と金星の位置を図に置き、見える形や時刻を考える問題です。宇宙からの図に示された位置を、そのまま目に見える形とみなすと間違えます。地球に観察者を置き、太陽に照らされた側と観察者に向いた側の重なりを考えます。日食や月食の詳しい条件ではなく、ここでは金星の見え方を扱います。

太陽系の中で金星を探す

図1のように、太陽系には太陽と、その周りを回る惑星などがあります。太陽に近い順に水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星です。図は順序を示しており、公転軌道の形や間隔を示すものではありません。小惑星や彗星なども太陽系の仲間ですが、惑星と同じ名前にまとめず、それぞれを区別します。

水星、金星、地球、火星は地球型惑星です。比較的小さく、岩石などからなる固体の表面を持ちます。木星、土星、天王星、海王星は木星型惑星にまとめられ、地球型と比べて大きく、主に気体や氷などからなります。見かけの色や輪の有無だけで分類するのではなく、性質のまとまりで考えます。

太陽は高温の気体からなる恒星で、自ら光を出します。表面には周囲より温度が低いため暗く見える黒点があります。黒点が太陽の表面を移動する様子は、太陽が自転していることを示します。ただし、太陽の観察で直接太陽を見たり、望遠鏡を直接のぞいたりしてはいけません。太陽を直接見ることは目を傷める危険があります。

惑星のうち、金星は地球より太陽に近い軌道を公転する内惑星です。金星自体が月のように形を変えているわけではありません。太陽の光を受けた半球のうち、地球から見える部分が変わるので、丸く見えたり細く見えたりします。明るい半球と、地球側を向く半球の共通部分を想像すると、照らされていない部分を取り違えにくくなります。

金星と地球の距離が変われば、同じ金星でも見かけの大きさが変わります。地球に近い配置では大きく、遠い配置では小さく見えます。見かけの大きさと、明るく見える部分の割合は別々に考えます。大きく見えるときに必ず丸いとは限らず、2つの判断を同時に行うのが図の問題の要点です。

基本例題：2つの配置を比べる

次の図2は、太陽の北側の遠くから公転面を見た模式図です。太陽、地球、金星は同じ直線上にあるとします。金星Aは太陽と地球の間、金星Bは太陽を挟んで地球の反対側です。2つの配置は別々の時点を表します。地球と太陽の中心間の距離を10目盛り、太陽と金星の中心間の距離を6目盛りとする問題上の条件を用います。実際の距離の測定値ではありません。

問1　AとBについて、地球と金星の中心間の距離をそれぞれ整数の目盛りで求めてください。問2　金星は同じ大きさの球とし、太陽による隠れは考えないとき、どちらが地球から大きく見えますか。問3　各配置で、地球から見える金星の明るい部分の割合を「ほぼ0」または「ほぼ全部」で答え、理由を短く書いてください。実際の観察では太陽に近い方向を向く危険があるため、ここでは図で考えます。

まずAを見ます。太陽から地球までの10目盛りのうち、太陽から金星までが6目盛りです。残りが地球から金星までの距離です。

10 − 6 = 4目盛り

次にBでは、太陽が地球と金星の間にあります。地球から太陽までの10目盛りと、太陽から金星までの6目盛りを足します。

10 + 6 = 16目盛り

金星の大きさは同じという条件ですから、距離が短いAの方が大きく見えます。数値の差だけを見るのではなく、4目盛りと16目盛りがそれぞれ地球から金星までの距離かを確認します。戻して調べると、Aは6 + 4 = 10、Bは16 − 6 = 10となり、どちらも指定された地球と太陽の距離に合います。

明るい側は、どちらの配置でも金星の太陽に向いた側です。Aでは太陽が金星の地球と反対側にあります。地球に向いた面は光を受けない側なので、明るい部分はほぼ0です。Bでは太陽と地球が金星から見て同じ方向にあるので、地球に向いた面は照らされた側と重なり、明るい部分はほぼ全部です。直線上という条件に限れば境界を除き0と全部ですが、実際に観察できる直線から少しずれた配置も考えて「ほぼ」と表現しています。

答えは、Aが4目盛りで大きく見え、明るい部分はほぼ0、Bが16目盛りで小さく見え、明るい部分はほぼ全部です。金星の位置が図に描かれていても、地球から太陽の方向に重なれば太陽に隠れたり、太陽の明るさで見分けられなかったりします。図で求めた照らされ方と、安全に観察できるかは分けて判断します。

少し難しい例題：夕方か明け方か

北半球のある地点で、障害物のない地平線を考えます。太陽と金星は同じ道筋を間隔を保って東から西へ動き、昇って沈むものとします。金星Pは空で太陽より東側、金星Qは太陽より西側にあり、どちらも太陽から大きく離れません。各時刻では十分に暗く、金星の高さは地平線より上にあるとします。PとQは別の日の配置です。

問1　日没後に金星が見えるのはP、Qのどちらですか。問2　日の出前に見えるのはどちらですか。記号と、それぞれ太陽より先に沈むか後に沈むか、または先に昇るか後に昇るかを添えて答えてください。

空は東から西へ動いて見えるので、東側にある天体は西側にある天体の後を追うように進みます。Pは太陽より東側ですから、太陽が西の地平線に沈んだ後もしばらく地平線の上に残ります。したがって日没後に見えるのはPで、Pは太陽より後に沈みます。

反対にQは太陽より西側にあります。東から昇るときはQが太陽より先に地平線を越えます。太陽がまだ昇っていない時間にQが見えるので、日の出前はQです。沈む順も確かめるとQが先、太陽が後です。どちらの判断でも「東側」「西側」は天体どうしの位置であり、地平線の東西の場所そのものとは区別します。

問題の条件に答えを戻すと、Pは太陽の東側で日没後に残り、Qは西側で日の出前に先に昇ります。太陽からあまり離れないという条件にも合い、PやQが太陽と反対方向に来る必要はありません。日没後と日の出前のどちらも「夜」と呼べますが、真夜中とは区別しましょう。地平線の近くでは空の明るさや建物などのため、図の時刻に必ず見えるとは限りません。

真夜中に見えるという答えを直す

誤答は「金星は明るい惑星だから、太陽が沈んでいる真夜中にも見える」です。明るさは見つけやすさに関係しますが、空のどの方向にあるかを決める条件ではありません。図3のように、真夜中には観察地点はおよそ太陽と反対を向いています。一方、金星は地球より内側を回るため、地球から見た方向は太陽の方向から大きく離れません。

直し方は、地球の位置に立って太陽への方向と金星への方向を引くことです。金星が太陽から東にあれば夕方、西にあれば明け方に見えることがあります。真夜中の空は太陽と反対側なので、金星がどれほど明るくても、そこには現れません。図3では地球の夜側の観察地点を右側に置き、太陽と金星は左側に描いています。地球の大きさと天体間の距離は説明用で、縮尺はそろえていません。

別の誤答に「近い金星は太陽に近い側が地球に向くので丸い」があります。図2のAでは、太陽は金星の向こう側です。地球側に向く面と太陽に照らされる面は反対になり、丸いという結論を直せます。地球からの距離を求める矢印と、金星から太陽への向きを示す矢印を別々に描くと、どの判断で混乱したかが見えます。

自分で確かめる4問

次の4問はそれぞれ独立しています。数値は問題を解くための条件で、実測値ではありません。まず問題をまとめて解き、その後で答えと照らし合わせてください。

1. 水星、地球、土星、火星の4つを太陽に近い順に並べ、地球型惑星に当たるものをすべて名前で答えてください。
2. 地球、太陽、金星が同じ直線上にあり、地球と太陽の間に金星があります。地球と太陽の距離が15目盛り、太陽と金星の距離が9目盛りのとき、地球と金星の距離を整数の目盛りで答えてください。また、地球から見える金星の明るい部分は「ほぼ0」「ほぼ全部」のどちらかを選んでください。
3. 地平線に障害物がなく、太陽と金星は同じ道筋を間隔を保って東から西へ動いて見えます。日の出前に見える金星が太陽より東側と西側のどちらにあるか、方角を答えてください。金星と太陽が昇る順も書いてください。
4. 太陽の黒点が日ごとに表面上の位置を変える記録があります。この記録から読み取れる太陽の運動を1つ、言葉で答えてください。また黒点が周囲より暗い理由を、温度を使って短く書いてください。

解答とたどり方

1. 水星、地球、火星、土星の順です。地球型惑星は水星、地球、火星です。太陽からの順序に戻すと、水星と地球は内側、火星は地球の外側、土星はさらに外側です。4つを分類し直すと土星が木星型で、選んだ3つが地球型という条件に合います。

2. 15 − 9 = 6目盛りです。金星が太陽と地球の間にあるので、太陽から金星までの9目盛りと金星から地球までの6目盛りを合わせると15目盛りに戻ります。明るい部分はほぼ0です。金星から見ると太陽と地球は反対方向にあり、照らされる側が地球に向かないためです。

3. 西側です。東から西への見かけの動きでは、西側の金星が先に昇り、太陽が後から昇ります。答えを場面に戻すと、金星が地平線の上にあり太陽がまだ下にある時間ができ、日の出前という条件に合います。太陽と同じ向きに近いので、地平線や空の明るさによって観察できない場合もあります。

4. 太陽の自転です。黒点は周囲より温度が低いため暗く見えます。太陽の表面にある模様が自転に伴い移動するという説明を記録に戻すと、日ごとの位置の変化と対応します。黒点そのものが発光していない穴だとは結論できません。

覚えておく線と向き

太陽は自ら光を出し、惑星は主にその光を反射します。
地球型と木星型は、大きさや主な物質の特徴で比べます。
金星の明るい側は太陽を向き、見かけの大きさは地球との距離で変わります。
金星は太陽から大きく離れず、夕方か明け方に見えます。

図を使ってつまずきを見分ける

お子さまが金星の形を答えられないときは、先に図の上で地球、金星、太陽を指してもらいます。位置は読めるのに明るい側が逆なら、金星から太陽へ線を引き、光を受ける側に印をつけます。明るい側を示せても地球から見える部分が選べない場合は、次に金星から地球へ線を引き、観察する側を重ねて考えます。

個別指導で確かめるなら、図2のAとBのどちらが近いか、なぜその距離を引き算または足し算にするかを言葉にしてもらいます。時刻で迷う場合は図3に戻り、夜側の観察地点から太陽への方向を示してもらいます。答えの名前だけでなく、どの向きを根拠にしたかが次の練習につながります。金星の位置と地球からの視線を結べば、形と時刻を同じ図から考えられます。