【地学基礎】太陽系の惑星を図解で総まとめ—地球型と木星型・小天体・地球の特別さ｜武蔵野個別指導塾

半径と密度の散布図で惑星を 2 群に分け、放射の計算で金星と火星を地球と比べます。比較表の数字に理由がつき、海が地球にだけある理由まで書けるはずです。

よくあるのは、合唱コンクールの練習の合間に音楽室のひな壇に腰かけて地学基礎のプリントを広げ、8 つの惑星の比較表を埋めようとして手が止まる、という場面です。ピアノの前で伴奏の子が楽譜をめくっているあいだに「木星は質量が大きいから密度も大きいはず」と書き込み、答えを見るとまるで逆になっている。パートの入りを一度間違えると次の小節まで崩れるように、比較表も 1 か所の思い込みから下の行まで崩れていきます。崩れる原因は、数字を丸ごと覚えようとすることにあります。この単元を終えると、太陽からの距離と惑星の材料という 2 つの手がかりから表の傾向を説明でき、金星や火星と比べて地球の表面にだけ海がある理由まで、自分の言葉で書けるようになります。

この単元で押さえること

• 太陽系の誕生: 約 46 億年前、ガスとちりの雲が縮んで太陽と周りの円盤ができ、ちりから微惑星、原始惑星を経て惑星が育ちました。
• 地球型惑星と木星型惑星: 内側の 4 つは岩石と金属でできた小さく密度の大きい惑星、外側の 4 つは水素やヘリウム、氷が多い大きく密度の小さい惑星です。
• 比較表の読み方: 半径、質量、密度、自転周期、衛星、環の傾向は、材料と大きさの違いから順に説明できます。
• 小天体の区別: 小惑星、彗星、太陽系外縁天体は、いる場所と成分で見分けます。
• ハビタブルゾーン: 惑星の表面に液体の水が存在できる、恒星からの距離の範囲です。距離だけでは足りず、質量と大気も条件に入ります。
• 2 つの計算: 受け取る放射は距離の 2 乗に反比例し、密度は質量を半径の 3 乗で割って比べます。

前の単元で見た太陽の核融合と放射を、ここでは惑星の側から受け止め直し、次に学ぶ地球環境の変化へ進むための土台を作ります。

基本の考え方

円盤から生まれたから、惑星はそろって回る

太陽系は約 46 億年前、宇宙空間に漂うガスとちりの濃い部分（星間雲）が自分の重力で縮むことから始まりました。中心に原始太陽ができ、その周りには回転する平たい円盤が残ります。これを原始太陽系円盤（原始惑星系円盤とも呼びます）といいます。円盤の中でちりが集まって直径 約 10 km の微惑星になり、微惑星どうしの衝突と合体で原始惑星へ、さらに惑星へと成長しました。

この生い立ちは、今の太陽系の姿にそのまま残っています。8 つの惑星がほぼ同じ平面の上を、円に近い軌道で、同じ向きに公転しているのは、もとの円盤の回転を受け継いでいるからです。材料の大半は中心に集まったので、太陽系全体の質量の 99.8% 以上を太陽が占めています。

惑星の位置を比べるときは、太陽と地球の平均距離を 1 とする天文単位を使います。1 天文単位は約 1.5 億 km で、光でも約 8 分 20 秒かかる距離です。図1のように距離の順に並べると、内側の 4 つは太陽のすぐそばに固まり、外側の 4 つは大きく間を空けて散らばっています。上の段の左端を拡大したのが下の段で、点の大きさは実際の比ではありません。

音楽室で想像してみましょう。指揮台の足元に太陽を置き、1 天文単位を 30 cm に縮めます。水星は約 12 cm、金星は約 22 cm、地球は 30 cm、火星は約 46 cm の位置で、ここまでは指揮者の足元に収まります。ところが木星は約 1.6 m、土星は約 2.9 m、天王星は約 5.8 m、海王星は約 9 m で、後ろの壁際まで届きます。この縮尺では太陽でも直径 約 3 mm の粒で、地球は目をこらしても見えないほどの点です。太陽系のほとんどは何もない空間だということが、この数字から伝わるはずです。

距離が材料を分け、材料が惑星を分ける

太陽に近い高温の領域では、固体でいられるのは岩石と金属だけでした。固体の材料が少ないので惑星は大きくなれず、小さくて密度の大きい惑星になります。これが地球型惑星です。一方、太陽から遠く低温の領域では、水やメタンなどが氷になって固体の材料に加わります。材料が増えて原始惑星が大きく育ち、その強い重力で周りの水素やヘリウムのガスを引き寄せました。これが木星型惑星です。木星と土星は水素とヘリウムが主体で、天王星と海王星は氷の割合が高いため、この 2 つを天王星型惑星と呼んで分ける場合もあります。

比較表は、この流れの結果を並べたものです。先に 1 つ目の表で傾向をつかんでから、2 つ目の表で具体的な数値を見てください。2 つ目の値はどれも「約」をつけて読む概数です。

表の数字の中には、理由とセットにしておきたいものがあります。土星の密度は約 0.69 g/cm³ で、水より小さい値です。木星型の自転周期が短いことと、赤道方向に膨らんだ形をしていることもつながっています。逆に金星は自転周期が約 243 日と非常に長く、回る向きも多くの惑星と逆です。天王星は自転軸がほぼ横倒しで、海王星とともに大気中のメタンが赤い光を吸収するために青く見えます。

小惑星・彗星・太陽系外縁天体

惑星のほかにも、太陽の周りには小さな天体が数多く回っています。小惑星は、大部分が火星と木星の軌道の間（小惑星帯）にある岩石質の天体で、図1の灰色の帯がその位置です。形はいびつなものが多く、すべて集めても月の質量にはとても届きません。太陽系ができた頃の材料をよく残していると考えられ、日本の探査機が小惑星から試料を持ち帰って調べています。

彗星は、氷とちりでできた核をもつ天体です。細長い楕円軌道を回るものが多く、太陽に近づくと氷が気体になって核を包むコマができ、尾が伸びます。ハレー彗星は約 76 年の周期で戻ってきます。彗星が残していったちりの帯を地球が横切ると、ちりが大気に飛び込んで高度 およそ 100 km 付近で光り、流星群として見えます。燃え尽きずに地表まで落ちたものが隕石で、その多くは小惑星のかけらと考えられています。

太陽系外縁天体は、海王星の軌道より外側を回る、氷を主とする天体です。冥王星はかつて 9 番目の惑星とされていましたが、似た天体が次々に見つかり、2006 年に準惑星へ分類し直されました。準惑星とは、自分の重力で丸くなるほど大きくても、軌道の周りの他の天体を払いのけていない天体のことです。周期の短い彗星の多くも、この領域から来たと考えられています。

液体の水が保てる条件

恒星の周りで、惑星の表面に液体の水が存在できる距離の範囲をハビタブルゾーンといいます。太陽系では地球の軌道付近がこれにあたり、金星は内側に外れ、火星は外側の縁のあたりにあります。太陽より明るい恒星ならこの範囲は遠くへ移り、暗い恒星なら近くへ寄ります。

ただし、距離だけでは決まりません。月は太陽からの距離が地球とほぼ同じなのに、重力が小さく大気をほとんど保てないため、表面に液体の水はありません。水が液体でいるには、適度な温度に加えて、ある程度の気圧が必要だからです。ここで効いてくるのが、惑星の質量と大気です。

地球は、距離と質量と大気の 3 つがそろっています。太陽からの距離がちょうどよく、質量が大気を引き留めるのに十分で、大気の温室効果が表面を温めています。大気が無ければ地球の平均気温は約 マイナス 18℃ とされますが、実際は約 15℃ です。海があったことで大気の二酸化炭素は海に溶け、石灰岩などに固定されて、温室効果が強くなりすぎずに済みました。生命の光合成が酸素を増やし、窒素 約 78%・酸素 約 21% という今の大気へ変わっていったのも、海があってこその流れです。

同じ地球型でも、金星と火星の結果は違います。金星は質量が地球に近いものの、太陽に近いために海を保てず、二酸化炭素が大気に残ったと考えられています。地表の気圧は約 90 気圧、表面温度は約 460℃ に達します。火星は質量が地球の約 0.11 倍と小さく、大気の大部分を失ったと考えられ、今の地表の気圧は地球の 1% に足りません。平均気温はおよそ マイナス 60℃ で、かつて水が流れたと考えられる地形はあるものの、今の地表に液体の水が安定してとどまるのは難しい環境です。木星の衛星エウロパのように氷の下に液体の海があると考えられる天体もありますが、表面に液体の水が安定してある天体は、太陽系では地球だけです。

例題で解き方を確かめる

例題1（用語の見分け）

木星型惑星の特徴として正しいものを、次の a〜d からすべて選んでください。

• a 半径が大きいのに平均密度は小さい
• b 自転周期が 1 日より短い
• c 岩石でできた固い地表が見えている
• d 環と多くの衛星をもつ

1. 木星型の材料を先に思い出します。水素、ヘリウム、氷が主体だと押さえれば、他の性質を順に導けるからです。
2. a を確かめます。軽い材料が大量に集まると、半径が大きくても密度は小さくなるので正しいと判断します。
3. b と d を比較表と照らします。個別に覚えると負担が大きいので、「速く回り、環と衛星が多い」とひとまとめにして判断します。
4. c を確かめます。岩石の固い地表は地球型の特徴なので、ここで誤りとわかります。

答え: a、b、d

例題2（図の読み取り）

図2は、8 つの惑星の赤道半径と平均密度を点で表したものです。（1）左上と右下の点のまとまりは、それぞれ何型の惑星ですか。（2）平均密度が水（1 g/cm³）より小さい惑星を答えてください。（3）「半径が大きい惑星ほど密度が大きい」といえるかどうかを、図をもとに判断してください。

1. 軸の意味を読みます。横軸が半径、縦軸が密度で、大小を取り違えないために最初に確認します。
2. 左上は「小さくて密度が大きい」ので地球型、右下は「大きくて密度が小さい」ので木星型と判断します。点の位置を、比較表の傾向に言い換えられるからです。
3. 水の密度を示す破線より下にある点を探します。破線が 1 g/cm³ の高さなので、値を細かく読まなくても判定でき、下にあるのは土星の 1 つだけです。
4. 全体の向きを見ます。半径の大きいまとまりほど密度が小さく、全体は右下がりなので、問いの文は成り立ちません。材料の違う惑星を大きさだけで比べられないことまで書くと、論述の答えになります。

答え: （1）左上が地球型、右下が木星型 （2）土星 （3）いえない

例題3（計算）

木星の質量は地球の 318 倍、平均の半径は地球の約 11 倍です。地球の平均密度を 5.5 g/cm³ として、木星の平均密度を求めてください。比較表の 11.2 は赤道の半径で、自転の速い木星は赤道方向に膨らんでいるため、平均の半径はそれより少し小さくなります。

1. 体積の倍率を出します。球の体積は半径の 3 乗に比例するので、11 × 11 × 11 = 1331 倍です。密度の分母は半径ではなく体積なので、ここを飛ばすと大きく外れます。
2. 密度の倍率を出します。密度は質量 ÷ 体積なので、318 ÷ 1331 = 約 0.24 倍です。
3. 地球の値にかけます。5.5 × 0.24 = 約 1.3 です。倍率のまま計算すれば、単位の換算をせずに済みます。
4. 表と比べて確かめます。約 1.3 g/cm³ で一致し、質量が 300 倍を超えても体積の倍率のほうがはるかに大きいことが数字で見えます。

答え: 約 1.3 g/cm³

例題4（計算と論述）

惑星が太陽から受ける放射は、距離の 2 乗に反比例します。地球の位置での太陽定数を約 1.37 kW/m² として、（1）金星（0.72 天文単位）と火星（1.52 天文単位）の位置での値を求めてください。（2）金星は水星より太陽から遠く、受ける放射も少ないのに、表面温度は水星の昼側より高くなります。理由を説明してください。

1. 距離を天文単位のまま使います。地球の距離が 1 なので、太陽定数を距離の 2 乗で割るだけで値が出るからです。
2. 金星は 1.37 ÷ (0.72 × 0.72) = 1.37 ÷ 0.518 = 約 2.6 kW/m² です。火星は 1.37 ÷ (1.52 × 1.52) = 1.37 ÷ 2.31 = 約 0.59 kW/m² です。2 乗を忘れると火星の値が 1.5 倍ほどずれるので、かけ算の形で式に残します。
3. 図3の曲線で確かめます。距離が半分になると値は 4 倍、距離が 2 倍になると 4 分の 1 になる形で、計算した値がこの曲線に乗っていれば桁の誤りに気づけます。水星の位置では約 9.0 kW/m² です。
4. （2）は距離以外の条件を探します。受ける放射で説明がつかないなら、残る違いは大気です。水星には大気がほとんど無く、金星には二酸化炭素を主とする厚い大気があります。

答え: （1）金星 約 2.6 kW/m²、火星 約 0.59 kW/m² （2）金星には二酸化炭素を主とする厚い大気があり、その強い温室効果で熱が逃げにくいから

図3の緑の帯がハビタブルゾーンの目安です。幅は大気の条件で変わるので、帯の端の数字を覚える必要はありません。曲線を見てほしいのは、地球と金星の差が距離にして 0.28 天文単位しかないのに、放射では約 2 倍になるところです。この差が、海を保てるかどうかの分かれ目になったと考えられています。

まちがえやすいところと直し方

誤り1　質量と密度を取り違える

誤った書き方: 「木星型は質量が大きいので、密度も大きい。」

どこが違うか: 密度は質量そのものではなく、質量を体積で割った値です。音楽室のグランドピアノは音叉より何千倍も重いのに、密度は鋼の音叉のほうがずっと大きいのと同じです。木星は半径が約 11 倍なので体積は 1300 倍を超え、質量が 318 倍でも割れば地球より小さくなります。問いの文を読むときは、質量、半径、密度のどれを聞かれているのかに印をつけてから答えると、この取り違えを防げます。

正しい書き方: 「木星型は質量も半径も大きいが、水素やヘリウムなどの軽い材料が主体なので、平均密度は地球型より小さい。」

誤り2　太陽に近いほど表面が熱いと決めつける

誤った書き方: 「太陽に最も近い水星の表面温度が、惑星の中で最も高い。」

どこが違うか: 受ける放射だけで見れば水星が最大ですが、表面温度は大気でも変わります。水星には熱をためる大気がほとんど無く、昼は 400℃ を超えても、夜は マイナス 150℃ を下回ります。昼も夜も約 460℃ の高温が続くのは金星で、厚い雲が太陽の光の多くを反射しているのにこの温度です。

正しい書き方: 「表面温度が最も高いのは金星で、二酸化炭素を主とする厚い大気の温室効果が原因である。」

誤り3　彗星の尾を進んできた道の跡と考える

誤った書き方: 「彗星の尾は、飛行機雲のように進んできた道に残る。」

どこが違うか: 尾は太陽の光の圧力と太陽風に押されてできるので、進む向きではなく太陽との位置関係で向きが決まります。図4のように、太陽へ近づくときは後ろへなびいて見えますが、遠ざかるときは尾を先にして進みます。太陽から遠いあいだは氷が気体にならないので、尾そのものが見えません。図が出たら、太陽と彗星を結ぶ線を延ばし、その先に尾があるかどうかを確かめてください。

正しい書き方: 「彗星の尾は太陽に近づいたときに現れ、進む向きに関係なく、ほぼ太陽と反対の向きに伸びる。」

用語のまとめ

練習問題

練習1　次の a〜d のうち、正しいものをすべて選んでください。a 金星と地球は質量が近く、どちらも地球型である。b 火星は海王星より公転周期が長い。c 環をもつ惑星は土星だけである。d 水星と金星には衛星が無い。

練習2　次の説明に当てはまる天体の種類を答えてください。（1）主に火星と木星の軌道の間にある岩石質の天体。（2）海王星の軌道より外側を回る、氷を主とする天体。（3）太陽に近づくとコマと尾が現れる天体。

練習3　（1）土星の質量は地球の 95 倍、平均の半径は地球の約 9 倍です。地球の平均密度を 5.5 g/cm³ として、土星の平均密度を求めてください。（2）1 天文単位を約 1.5 億 km、光の速さを約 30 万 km/s として、太陽の光が約 30 天文単位の海王星に届くまでの時間を求めてください。

練習4　今の火星の地表に液体の水が安定してとどまりにくい理由を、「質量」「大気」「放射」の語を使って説明してください。

答えと解説

練習1の答えは a と d です。b は逆で、公転周期は外側の惑星ほど長く、火星は約 1.88 年、海王星は約 165 年です。c は誤りで、木星型の 4 つすべてに環があり、土星の環が特に目立つというだけです。

練習2の答えは（1）小惑星（2）太陽系外縁天体（3）彗星です。迷ったら、いる場所と主な成分の 2 つで見分けてください。（2）と（3）は氷が主である点が似ていますが、問われているのが軌道の位置か、太陽に近づいたときの姿かで分かれます。

練習3の答えは（1）約 0.7 g/cm³（2）約 4 時間 10 分です。（1）は 9 × 9 × 9 = 729 なので、95 ÷ 729 = 約 0.13 倍で、5.5 × 0.13 = 約 0.7 となり、水より小さい値が確かめられます。（2）は 1.5 億 km ÷ 30 万 km/s = 500 秒が 1 天文単位の時間で、その 30 倍の 15000 秒は約 4 時間 10 分です。

練習4の答えの例は次のとおりです。火星は質量が小さく重力が弱いため大気を保ちにくく、地表の気圧は地球の 1% に足りません。太陽から受ける放射も地球の半分以下で、薄い大気では温室効果も弱いので寒く、水が液体のままとどまりにくい環境です。距離の話だけで終わらせず、質量から大気へ、大気から温度と気圧へとつなげて書くと、論述として筋が通ります。

次の単元へのつながりと確かめ方

金星の約 460℃ と地球の約 15℃ を分けた温室効果は、次の地球環境の単元で、二酸化炭素濃度と温暖化の話として戻ってきます。海に溶けた二酸化炭素の行き先を知っていると、炭素がどこにあるかという見方で変化を追えます。

白紙が 1 枚あれば、家でも 5 分で 2 通りの確かめができます。ひとつは、8 つの惑星を内側から書き、材料、半径、密度の順に矢印でつないで声に出して説明するやり方です。もうひとつは、地球と金星と火星を 3 列に並べ、距離、質量、大気、表面温度を何も見ずに埋めるやり方です。

お子さまの手が比較表の前で止まっているようなら、数字を問う代わりに「どうして木星は軽いの」と聞いてみてください。個別指導で確かめるときは、暗記に入る前に、密度の式と、体積が半径の 3 乗で増えることを計算し直すところまで戻ります。

まとめ

指揮台に太陽を置いた音楽室の縮尺で、地球は足元からわずか 30 cm の点です。金星はそこから約 8 cm 内側、火星は約 16 cm 外側にあり、どちらの表面にも今は海がありません。距離が材料を分け、材料が大きさと密度を分けたところまでは 8 つの惑星に共通の話で、その先で水の行方を決めたのは、わずかな距離の差と質量と大気でした。海は、距離と質量と大気の 3 つの音がそろったときにだけ鳴る和音です。