高校地学 太陽の内部と大気—エネルギーの通り道と観測する層を対応させる｜武蔵野個別指導塾

放射と対流の違いをたどり、画像から見える層を判別する手がかりは太陽の層構造です。

よくあるのは、高校生が太陽の対流層で上昇した物質が、そのまま地球まで来ると考える場面です。熱い物質の移動と、その物質から放たれて外へ進む光は、どちらもエネルギーに関係しますが、同じ移動ではありません。太陽の内側から外側へ層を並べ、各場所で何が移り、どの層を画像に見ているのかを分けて考えます。ここでは層の構造と輸送を扱い、核反応の詳しい計算や地球で受ける放射の計算には立ち入りません。

問いを3つに分ける

層の順序を問う問題では、中心から外へ向かう方向を先に決めます。名前を暗記していても、光球を内部の対流層より内側に置けば、後の説明が逆になります。まず境界を横切る順序を書き、観測される面と内部の領域を区別します。

輸送の仕組みを問う問題では、放射と対流で何が移動するかに注目します。放射は光などの電磁波によるエネルギーの移動です。対流は物質の流れが熱を運ぶ現象です。どちらも外向きのエネルギー輸送に関係しますが、放射層の光が一度も相互作用せず直進するという意味ではありません。対流層でも放射が存在しないという意味ではありません。

画像を読む問題では、画像の観測条件と見える特徴を結びつけます。明るい円盤を見たという情報と、円盤の外へ広がる淡い大気を見たという情報では、対応させる層が違います。単一の画像だけで内部の層を直接見たと決めることはできません。画像の種類が不明なときは、追加情報を求めることも答えの一部です。

内側から外側へたどる

太陽の中心付近では水素の原子核からヘリウムができる核融合が起こり、エネルギーが生じます。中心は固い球の芯ではなく、高温・高密度の気体状の物質がある領域です。そこで生じたエネルギーが外へ運ばれ、やがて放射として宇宙へ出ます。エネルギーが外へ出ることと、中心の物質が外へ流出することは区別します。

中心の外側の放射層では、放射による輸送が主な役割を担います。光は物質に吸収されたり散乱されたりしながらエネルギーを受け渡します。そのため、模式図の外向き矢印は全体として外へ伝わる方向を表し、個々の光がずっと同じ向きに進む経路ではありません。放射層の外側にある対流層では、熱い物質が上昇し、冷えた物質が下降する流れによってエネルギーが運ばれます。上昇した物質が外へ際限なく進むという図ではなく、上昇と下降を組にして捉えます。

図1のように、内部の外側には光球、彩層、コロナが順にあります。光球はふつうの可視光で見える太陽の明るい表面に相当する層ですが、固い地面ではありません。光球より外には大気があり、彩層、さらに外へ広がるコロナが位置します。これらの境界は模式的な区切りであり、図の厚さは実際の比率を表しません。

図1は太陽を一方向に切った模式図です。中心から右へ進むと各領域を順に横切ります。光球を通過しても物質が急にゼロになるわけではなく、外側にも薄い大気があります。中心から表面までの輸送の方法と、表面の外にどの層があるかを、同じ図で区別してください。

「放射層では放射、対流層では対流」という分類は、各層で主となる輸送を表します。温度差があるとエネルギーは移り得ますが、対流では物質の流れを伴い、放射では電磁波がエネルギーを運びます。対流層の上部から出た光を地球で受ける場合、地球まで届く光と、太陽内部で循環する物質とは別のものです。一方、太陽から宇宙空間へ流れ出す粒子もありますから、太陽の物質が絶対に外へ出ないとするのも正しくありません。その流出と対流の循環を同一視しないことが要点です。

層の位置だけから温度が外側ほど必ず低いと決めることもできません。太陽の大気には、光球より高温のコロナがあります。したがって、距離の順序と温度の大小は別々の情報として扱います。温度の実測値を覚えなくても、外側にあることと低温であることが同義ではないと判断できます。

例題1　流れの説明を直す

自作問題です。ある答案には「対流層の物質が地球まで上昇し、その物質が地球を照らす」とあります。対流層での運び方と地球に届くものを区別し、「循環」「光」の2語を使って、誤りを直してください。

解き方を順に書きます。

1. 対流層では、熱い物質の上昇と冷えた物質の下降が熱を運びます。
2. この流れは対流層内の循環として捉えます。
3. 太陽から放たれた光は、太陽と地球の間を進みます。
4. 地球を照らす光と、対流する物質を同じものとする根拠はありません。

答えは「対流層では物質の上昇と下降の循環がエネルギーを運び、太陽から放たれた光が地球に届きます」です。元の答案に戻して確認すると、地球までの移動を物質から光へ修正し、対流層での物質の役割も残しています。光が届くこと自体は対流の物質が届く証拠になりません。

図2のように、内部の循環を曲がった矢印で、外に出る光を直線の矢印で示すと違いを見失いにくくなります。これは経路を説明する模式図で、太陽と地球の大きさや距離は実際の比率ではありません。

図2の循環は、物質が上昇した後に冷えて下降することを表します。光の矢印は、対流の矢印の延長ではありません。図を答案に添える場合も、矢印が何の移動を意味するのかを明記します。

例題2　画像と観測層を対応させる

自作問題です。配布資料Aは可視光で明るい太陽円盤を写した画像、資料Bは明るい円盤を遮って外側に広がる淡い光を示した画像です。資料の説明には、Bの淡い光は太陽大気のコロナから来たとあります。AとBに対応する主な層をそれぞれ答え、画像だけで放射層を直接見たといえない理由を述べてください。

1. Aの明るい円盤の通常の可視光は、主に光球に対応します。
2. Bは資料の条件から、コロナの光を示します。
3. 放射層は光球より内側にあります。
4. AとBに示された光が放射層から直接届いたという条件はありません。
5. よって、Aは光球、Bはコロナで、両画像から放射層を直接見たとはいえません。

資料に戻すと、Aの円盤とBの外側の広がりにそれぞれ答えが対応します。Bの見え方が外側にあるという情報だけなら、観測波長や資料の説明も必要です。見かけの位置だけでどの大気層かを常に断定するのではなく、何を撮影した資料かを確認します。太陽の考察には配布画像や自作資料を使い、観測や実験は学校の指導の下で行います。

例題3　資料の不足と比較を考える

自作問題です。資料Xは光球の明るい円盤、資料Yはコロナの広がりを示します。別の資料Zは「太陽の外側の画像」とだけ記され、波長や撮影条件がありません。生徒は「ZはXより外側だから、必ずYと同じコロナであり、また外側ほど低温だ」と述べました。この主張の2つの判断を検討し、追加するとよい資料を1つ答えてください。

1. Zについて与えられたのは、太陽の外側の画像という情報です。
2. 光球の外には彩層とコロナがあり、位置の言葉だけでZをコロナと確定できません。
3. コロナは光球より外側ですが、光球より高温です。
4. よって、外側ほど必ず低温という判断も成立しません。
5. Zの観測波長や対象の説明を付けた資料を追加すれば、層の候補を絞る助けになります。

別の見方では、主張を「層の特定」と「温度の順序」という別の命題に分けます。前者は情報不足、後者はコロナの例によって否定されます。元の資料に戻すと、XとYは対象が明示されていますが、Zにはその説明がありません。Yの性質をそのままZに移すことはできません。

画像の比較を設計するときは、撮影の条件と画像処理の違いも記録します。明るい部分が白くつぶれれば、強い光の内部の差は読み取れません。淡い部分を見やすくする処理をすれば、見かけの明るさを別の画像とそのまま比較できない場合があります。同じ領域を比べる目的なら条件をそろえ、異なる条件の画像を使うなら差を明記します。資料が欠けていたり画像が不鮮明だったりする場合は、無理に層を決めず、判定に必要な条件を答えることができます。

誤答を図でほどく

「放射層では物質が上昇して運び、対流層では光だけが運ぶ」という答案は、2つの主な輸送を取り違えています。放射では電磁波がエネルギーを運び、対流では物質の流れが運びます。まず主語を「光」と「物質」に分け、その後でそれぞれを層へ結び直します。各層で他の過程が全く起きないという断定は加えません。

図3のように、放射層からは放射、対流層からは物質の循環へ線をつなぎます。図は輸送の主な方法を整理したもので、層の厚さや光の細かな経路を表していません。

別の誤答に「光球は固体の表面なので、その上には何もない」があります。光球は明るい表面に相当しますが、固い境界ではなく、外側に彩層やコロナがあります。図3の対応を確認した後、図1に戻って光球の外側を指さすと、輸送の取り違えと層の順序の取り違えを別々に直せます。

さらに「コロナは外側だから最も冷たい」と書いた場合は、位置から温度を決める推論自体を点検します。層の順序は図から読めますが、温度の大小は別に与えられるか学習した知識で判断します。図に厚さの縮尺がないときは、色の面積から温度や物質量を推定することもできません。

練習問題

次の5問はすべて自作です。解答はまとめて問題の後にあります。層の名前は中心から外へ読むことを意識し、記述では指定された語を使ってください。

1. 中心、光球、対流層、放射層、コロナ、彩層を、中心から外側への順に並べてください。
2. 放射層と対流層について、それぞれ主なエネルギー輸送を答え、「電磁波」「物質」の語を使って違いを説明してください。
3. 光球とコロナを比較し、外側にある層と、高温である層をそれぞれ答えてください。温度は数値で答える必要はありません。
4. 自作の資料Pは明るい可視光の円盤を示し、資料Qは彩層を写したと説明されています。各資料の主な対象を答え、QがPより内側か外側かを答えてください。
5. 生徒が「対流層で上昇した物質が地球に届くから太陽は地球を照らす」と書きました。「下降」「放射」の語を使って直し、なぜ元の説明では不十分かを述べてください。

解答と考え方

1. 中心、放射層、対流層、光球、彩層、コロナです。中心から内部を出て、明るい表面を通り、大気へ進む順に並べます。答えを逆向きにたどると、コロナから彩層、光球を通って内部へ戻るので、位置関係が再現できます。

2. 放射層では主に電磁波による放射、対流層では主に物質の流れによる対流です。前者では放射が吸収や散乱を伴いながらエネルギーを伝え、後者では上昇と下降を伴う流れがエネルギーを運びます。条件に戻すと、各語はそれぞれの輸送の担い手に対応し、層の名前も入れ替わっていません。

3. 外側にあるのも、高温であるのもコロナです。光球とコロナの位置を比べた結果と、温度の関係を別に書きます。条件に戻せば、光球を基準にした2つの比較はいずれもコロナを指しますが、位置だけから温度を決めたわけではありません。

4. Pは光球、Qは彩層で、QはPの外側です。Pの可視光の円盤という条件から光球を選び、Qは資料の説明に従います。並びへ戻して、光球の次に彩層があることを確かめます。画像の説明がなければ、Qの層はこの条件では決められません。

5. 「対流層では物質が上昇・下降してエネルギーを運び、太陽からの放射が地球に届いて照らします」。元の説明は、太陽内部の物質の流れと地球へ届く放射を混同しているため不十分です。元の場面に戻すと、地球を照らす役割を放射に対応させ、対流層の流れも下降を含めて説明できています。

覚えておくこと

中心から放射層、対流層、光球、彩層、コロナの順です。 放射は電磁波、対流は物質の流れによってエネルギーを運びます。 光球は明るい表面に相当し、その外にも大気があります。 コロナは光球より外側にあり、より高温です。 画像の対象と条件を確かめ、内部を直接見たと決めつけません。

答案のどこで迷ったかを見る

層の名前は書けるのに順序が逆になる場合は、紙の左端を中心、右端を外側と決めて並べ直します。順序は正しいのに説明で「物質が地球まで届く」と書く場合は、矢印ごとに光か物質かを記入します。どちらの間違いも同じ暗記不足として扱わず、位置の問題と輸送の問題に分けて見ると修正箇所が明確です。

個別指導では、配布画像のどの部分を根拠に光球や大気と判断したか、言葉と図を対応させて確かめます。説明のない画像を示したときに、必要な観測条件を挙げられるかも確認します。太陽の層を知ることは、見えた光の出どころとエネルギーの通り道を区別することにつながります。