太陽定数
大気圏上端における太陽放射スペクトルを線形スケールで波数に対してプロットしたもの。

太陽定数（G SC ）は、太陽から1天文単位離れた特定の領域が受け取るエネルギー量を表します。より具体的には、単位面積あたりの平均太陽電磁放射（総太陽放射照度）を測定するフラックス密度です。太陽から 1天文単位（au） （太陽から地球までの距離とほぼ同じ）離れた、光線に垂直な面上で測定されます。

太陽定数は、電磁スペクトル全体にわたる放射を含みます。衛星による測定では、太陽活動極小期（11年周期の太陽活動において黒点数が最小となる時期）では1.361キロワット/平方メートル（kW/m 2）であり、太陽活動極大期では約0.1%増加し、約1.362kW/m 2となります。[ 1 ]

太陽「定数」は、現代のCODATA科学的意味での物理定数ではありません。つまり、物理学において絶対的に一定とされるプランク定数や光速度とは異なります。太陽定数は変化する値の平均値です。過去400年間の変動は0.2%未満です。[ 2 ]数十億年前は、それよりもはるかに低かったのです。

この定数は放射圧の計算に使用され、太陽帆にかかる力の計算に役立ちます。

計算

太陽放射照度は地球の大気圏上にある衛星によって測定され、[ 3 ]その後、逆二乗則を使用して調整され、1天文単位（au）での太陽放射照度の大きさを推定して太陽定数を評価します。[ 4 ]引用されているおおよその平均値、[ 1 ] 1.3608 ± 0.0005 kW/m 2（毎分81.65 kJ/m 2 ）は、毎分1平方センチメートルあたり約1.951カロリー、または毎分 1.951ラングレーに相当します。

太陽放射量はほぼ一定ですが、完全に一定ではありません。衛星時代以前の技術では、太陽放射量（TSI）の変動は小さく、正確な検出は困難でした（1954年には±2%）。現在、太陽放射量（TSI）は（過去3回の11年黒点周期にわたって）約0.1%の変動を示すと測定されています。 [ 5 ]詳細は 太陽変動の項を参照。

太陽系外惑星の場合

L＝4πRst1つのr2σTst1つのr4{\displaystyle L=4\pi R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}L＝4πf d2{\displaystyle L=4\pi f\ d^{2}} したがって、 シュテファン・ボルツマン定数（ ≈4πf d2＝4πRst1つのr2σTst1つのr4{\displaystyle 4\pi f\ d^{2}=4\pi R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}f＝（Rst1つのr2σTst1つのr4d2）{\displaystyle f=\left({\frac {R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}{d^{2}}}\right)}σ{\displaystyle \sigma }5.67 × 10 −8  W⋅m −2 ⋅K −4）、fは距離dにある太陽系外惑星に対する恒星の放射照度です。

歴史的測定

1838年、クロード・プイエは太陽定数の最初の推定値を発表しました。彼は自ら開発した非常に簡素な日射計を用いて、1.228 kW/m 2という値を得ました。これは現在の推定値に近い値です [ 6 ] 。

1875 年、ジュール・ヴィオールはプイエの研究を再開し、フランスのモンブランで行った測定に一部基づいて、 1.7 kW/m 2というやや大きい推定値を提示しました。

1884年、サミュエル・ピアポント・ラングレーはカリフォルニア州のホイットニー山から太陽定数を推定しようと試みました。彼は一日の異なる時間帯に測定値を取得することで、大気吸収の影響を補正しようとしました。しかし、最終的に彼が提案した値2.903 kW/m 2はあまりにも大きすぎました。

1903 年のラングレーボログラフ。太陽定数は 2.54 カロリー/分/平方センチメートルと誤っています。

1902年から1957年にかけて、チャールズ・グリーリー・アボットらは様々な高高度地点で測定を行い、1.322～1.465 kW/m 2の値を確認しました。アボットは、ラングレーの補正値の1つが誤って適用されていたことを示しました。アボットの測定結果は1.89～2.22カロリー（1.318～1.548 kW/m 2）の範囲で変動し、この変動は地球の大気ではなく太陽によるものと考えられました。[ 7 ]

1954年に太陽定数は2.00 cal/min/cm 2 ± 2%と評価されました。[ 8 ]現在の結果は約2.5%低くなっています。

他の測定値との関係

太陽放射照度

大気圏上端における実際の直達太陽放射照度は、地球から太陽までの距離の変動により、年間で約 6.9% 変動し（1 月初旬の1.412 kW/m 2から 7 月初旬の 1.321 kW/m 2まで）、日ごとの変動は通常 0.1% よりはるかに小さい。したがって、地球全体（断面積1 億2,740 万 km 2）では、その電力は 1.730×10 17  W（または 173,000テラワット）[ 9 ] 、 ± 3.5%（年間約 6.9% の範囲の半分）となる。太陽定数は長期間にわたって一定ではないが（太陽の変動を参照）、1 年間で見ると、太陽定数の変動は大気圏上端で測定される太陽放射照度よりはるかに小さい。これは、太陽定数が1天文単位（au）という固定距離で評価されるのに対し、太陽放射照度は地球の軌道の離心率の影響を受けるためです。太陽から地球までの距離は、近日点では147.1×10 6 km 、遠日点では152.1×10 6  kmの範囲で毎年変化します。さらに、地球の軌道の微妙な変動の長期（数十万年から数百万年）周期（ミランコビッチサイクル）が太陽放射照度と日射量に影響を与えますが、太陽定数には影響を与えません。

地球が受ける放射の総量は、その断面積（π·R E 2）によって決まりますが、自転に伴い、このエネルギーは表面積全体に分散されます（4·π·R E 2）。したがって、太陽光線が当たる角度と、地球の半分が太陽放射を受けない瞬間を考慮すると、平均入射太陽放射量は太陽定数の4分の1（約340 W/m 2）となります。地球表面に到達する放射量（日射量）は、変化する大気減衰によってさらに減少します。ある瞬間において、地球表面のある地点が受ける放射量は、大気の状態、その地点の緯度、および時刻によって異なります。

見かけの等級

太陽定数は、可視光だけでなく、太陽電磁放射のすべての波長を含みます（電磁スペクトルを参照）。太陽定数は、太陽の見かけの等級である-26.8と正の相関関係にあります。太陽定数と太陽等級は、太陽の見かけの明るさを表す2つの方法ですが、等級は太陽の可視光のみに基づいています。

太陽の総放射量

太陽から見た地球の角直径は約1/11,700ラジアン（約18秒角）です。つまり、太陽から見た地球の立体角は約1/175,000,000ステラジアンです。つまり、太陽は地球が受ける放射線量の約22億倍、つまり約3.846×10 26ワットを放射していることになります。

過去の太陽放射照度の変動

宇宙からの太陽放射照度の観測は1978年に開始されました。これらの測定は、太陽定数が一定ではないことを示しています。太陽定数は11年周期の太陽黒点周期に応じて変化します。さらに過去に遡るには、過去400年間の太陽黒点、または1万年間の宇宙線起源放射性核種を用いた放射照度の再構築に頼る必要があります。このような再構築は、太陽放射照度が明確な周期で変動することを示しています。これらの周期は、11年（シュワーベ周期）、88年（グレイスベルク周期）、208年（デブリース周期）、そして1000年（渦周期）です。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

太陽は数十億年かけて徐々に膨張し、その結果生じた表面積からより多くのエネルギーを放出しています。数十億年前、太陽の光度が現在の70%に過ぎなかった時代に地球上に液体の水が存在していたという明確な地質学的証拠をどう説明するかという未解決の問題は、「微弱な若い太陽のパラドックス」として知られています。

気象条件による変動

太陽エネルギーの実際の地表到達率は最大で約75%です[ 15 ]。これは、雲のない空であっても、部分的に大気によって反射・吸収されるためです。軽い巻雲でもこの値は50%に、より強い巻雲では40%に減少します。したがって、太陽が真上にある場合、地表に到達する太陽​​エネルギーは、巻雲がある場合の550 W/m 2から、晴天の 場合の1025 W/m 2まで変動します。

公称値

太陽定数は、地球との直接的な比較が容易なため、太陽系外惑星学において太陽放射照度の慣習的な単位として用いられています。SI単位系への変換を標準化するため、 IAU 2015決議B3では、太陽および惑星に関するいくつかの量の公称値の使用が規定されており、その中には公称全太陽放射照度も含まれています。IAU決議B3は、公称全太陽放射照度を次のように定義しています。1361 W⋅m -2。[ 16 ]この値は太陽活動周期に応じて変化する太陽放射照度の実際の値とは無関係である。

参照

参考文献

  1. ^ a b Kopp, G.; Lean, JL (2011). 「太陽放射照度の新たな低値：証拠と気候への影響」 .地球物理学研究レター. 38 (1): n/a. Bibcode : 2011GeoRL..38.1706K . doi : 10.1029/2010GL045777 .
  2. ^ http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/総太陽放射照度データ、 SORCE
  3. ^ 「衛星による太陽放射照度の観測」 acrim.com . 2011年7月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月2日閲覧。
  4. ^ 「NOAAステータスアラート」。{{cite web}}:|archive-url=形式が正しくありません: タイムスタンプ (ヘルプ)CS1 メンテナンス: url-status (リンク)
  5. ^ウィルソン, リチャード C.; HS ハドソン (1991). 「太陽活動周期全体における太陽の光度」. Nature . 351 (6321): 42–4 . Bibcode : 1991Natur.351...42W . doi : 10.1038/351042a0 . S2CID 4273483 . 
  6. ^クロード・プイエによる太陽定数の測定、JLデュフレーヌ著、 La Météorologie、 Wayback Machineで2010年3月5日にアーカイブ、第60号、36～43頁、2008年2月。
  7. ^上記の文の1つ以上は、現在パブリックドメインとなっている出版物からのテキストを含んでいます：  Sampson, Ralph Allen (1911). " Sun ". In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica . Vol. 26 (11th ed.). Cambridge University Press. p. 87.
  8. ^フランシス・S・ジョンソン (1954年12月). 「太陽定数」 .気象学ジャーナル. 11 (6): 431– 439. Bibcode : 1954JAtS...11..432J . doi : 10.1175/1520-0469(1954)011<0431:TSC>2.0.CO;2 .
  9. ^アーチャー、D.（2012年）『地球温暖化：予測を理解する』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ISBN 978-0-470-94341-0。
  10. ^ Wang; et al. (2005). 「1713年以降の太陽の磁場と放射照度のモデリング」 .アストロフィジカルジャーナル. 625 (1): 522– 538. Bibcode : 2005ApJ...625..522W . doi : 10.1086/429689 .
  11. ^ Steinhilber et al. (2009), Geophysical Research Letters, Volume 36, L19704, doi : 10.1051/0004-6361/200811446
  12. ^ Vieira; et al. (2011). 「完新世における太陽放射照度の進化」. Astronomy & Astrophysics . 531 : A6. arXiv : 1103.4958 . Bibcode : 2011A&A...531A...6V . doi : 10.1051/0004-6361/201015843 . S2CID 119190565 . 
  13. ^ Steinhilber; et al. (2012). 「氷床コアと年輪から読み解く9,400年間の宇宙線と太陽活動」 . Proceedings of the National Academy of Sciences . 109 (16): 5967– 5971. Bibcode : 2012PNAS..109.5967S . doi : 10.1073/pnas.1118965109 . PMC 3341045. PMID 22474348 .  
  14. ^ Vieira, LEA; Norton, A.; Kretzschmar, M.; Schmidt, GA; Cheung, MCM (2012). 「地球の軌道傾斜角が太陽放射照度に与える影響」(PDF) . Geophys. Res. Lett . 39 (16): L16104. Bibcode : 2012GeoRL..3916104V . doi : 10.1029/2012GL052950 .
  15. ^ 「ヒンヴァイセ」 . www.astro.uni-jena.de。
  16. ^ Prša, Andrej; et al. (2016). 「選択された太陽および惑星量の公称値：IAU 2015決議B3」 .天文学ジャーナル. 152 (2): 41. arXiv : 1605.09788 . Bibcode : 2016AJ....152...41P . doi : 10.3847/0004-6256/152/2/41 .
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