なぜ最も暑い日は夏至ではなく「猛暑日」なのでしょうか?

私たちは、生命の楽園である地球に住めるという幸運に恵まれています。ここは生物の生存と繁殖に適した条件が整っているだけでなく、四季の変化もあります。春には色とりどりの花が咲きます。秋には紅葉が美しく、果実も豊かに実ります。夏には泳いだり、波と戦ったりできます。冬には寒さに耐えてアイススケートやスキーを楽しむことができます。地球上の同じ場所で、なぜ一年を通して周期的な気温の変化を経験できるのでしょうか?

地球が太陽の周りを回る軌道は完全な円ではなく、楕円です。そのため、地球は太陽に近づくときもあれば、遠ざかるときもあります。地球と太陽の距離の変化が季節の変化を引き起こすのでしょうか？地球は1月初旬に太陽に最も近づき、距離は1億4700万キロメートルになります。それは北半球で最も寒い時期です。 7月上旬には地球は太陽から最も遠ざかり、1億5200万キロメートルの距離になります。このとき、北半球は非常に暑くなります。したがって、地球と太陽の距離の変化が四季の原因ではありません。

地球上の四季の豊かで色彩豊かな変化は、地球の自転軸が太陽の周りを公転する面に対して 23.5 度傾いていることによって生じます。夏には、北半球が太陽の方向に傾き、太陽光の方向が地面に対してほぼ垂直になるため、太陽は空の非常に「高い」位置にあるように見えます。冬には、南半球が太陽の方に傾くため、北半球の人々は太陽が空の「低い」位置にあるのを見ます。太陽光は非常に「斜め」です。

一方が高く、もう一方が低くなると、その違いが明らかになります。夜に懐中電灯を地面に当てると、懐中電灯を垂直に下に向けたときに照らされる面積が最も小さくなることがわかります。光が斜めになるほど、照らされる領域は広くなります。太陽が「高い」位置にあるときは、太陽光の熱が狭い領域に集中するため、当然、この領域の地面はより多くの熱を受け取ります。太陽光が「斜め」の場合、同じ量の熱がより広い面積に分散される必要があるため、単位面積あたりに受け取る熱量は当然少なくなります。そして、太陽が「高い」ときは、日照時間も長くなります。太陽が「斜め」であればあるほど、日照時間は短くなります。これら 2 つの要因が組み合わさって、地球上の四季が生じます。地球だけでなく、火星（25.2度）や土星（26.7度）など、太陽系の他の惑星も自転軸が傾いています。四季も描かれています。

そうは言っても、すべては明らかであるようです。しかし、よく考えてみると、再び問題が起こります。夏至には太陽が空で最も高くなるので、最も暑い日になるはずです。しかし、実際には、最も暑い日は夏至（6月22日頃）ではなく、1か月以上後の「猛暑日」、つまり7月12日から8月27日頃です。冬至には、北半球で太陽の位置が最も低くなるため、最も寒い日になるはずです。しかし、ここで最も寒い日は冬至（12月22日頃）ではなく、その1か月後の翌年の1月下旬から始まる「三九日」です。ここで何が起こっているのですか?

主な理由は、地球が濃い大気に囲まれていることです。太陽光は地面近くの空気を直接暖めるのではなく、まず地面を暖めます。その後、地面は赤外線放射、空気対流、水分蒸発を通じて熱を空気に伝達します。地表には1平方メートルあたり約10トンの空気があり、大量の熱を蓄えることができます。これにより、表面温度が高くなりすぎるのを防ぎます。夜間には、この熱によって表面温度が低くなりすぎるのを防ぎます。このように、地球上の昼と夜の温度差は、わずか数度から十数度程度です。火星の空気は薄く、昼と夜の温度差は100度を超えることもあります。宇宙を周回する人工衛星の場合、太陽が照っている部分の温度は100～200度に達する一方、太陽が照っていない部分の温度はマイナス100～200度まで下がることがあります。これは、周囲に緩衝材として機能する空気がないためです。

ただし、この場合、平均毎日気温は太陽から受ける熱量に完全に依存するのではなく、毎日受ける熱量と失われる熱量の差、つまり蓄積される熱量の正味の変化に依存します。北半球は夏至に太陽から最も多くの熱を受け取りますが、夏至後の数十日間は、太陽の位置は最高ではないものの、それでもかなり高い位置にあります。日照時間は最長ではありませんが、それでもかなり長いです。毎日受け取る熱は失われる熱を依然として上回っているため、平均日気温は上昇し続け、「猛暑日」に最高点に達します。太陽が十分に「低く」なり、毎日受け取る熱が失われる熱より少なくなる場合にのみ、気温は下がり始めます。同様に、冬至以降は日照時間が徐々に増えますが、毎日受ける熱量は失われた熱を補うのに十分ではないため、「9の3つ」が最も寒くなります。太陽の光が日々の熱損失を上回るほど強くなって初めて春となり、「冬の59日目と69日目には川沿いに柳が見られる」のです。

それは鍋で水を沸かすようなものです。最も強い火力を使用すると、当然ながら水を素早く温めることができますが、少し弱い火力を使用すると、鍋の外壁や水面から失われる熱が火によってもたらされる熱よりも少ないため、水温は依然として上昇します。火が十分に弱い場合にのみ（ストーブがそれを実現できる場合）、鍋の中の水は徐々に冷えます。火が最も弱くなると、水温は自然に下がります。しかし、最小の火災よりもわずかに大きい火災では、水温が下がり続けるのを止めることはできません。

同様に、太陽は毎日正午に「最も高く」なりますが、一日の最高気温は正午ではなく午後 2 時頃になります。

屋内にいてエアコンがない場合、家（壁や家具）は大量の熱を蓄えるため、温度変化は太陽の高度とさらに同期しなくなります。夏、屋内で最も暑くなるのは正午ではなく夕方です。当時、外は比較的涼しかったのですが、壁や家具は日中に蓄えられた熱を絶えず放出し、赤外線の形で私たちを「焼く」ので、隙間風があっても涼しさを感じませんでした。中国の重慶、武漢、南京など大河川に近い場所は、日中は川の水が太陽によって温められ、日が沈むと熱が発散されるため、夕方になると特に暑くなり、有名な「炉」都市を形成します。

興味深いことに、地下の温度も地表の温度とは同期せずに変化します。たとえば、8 月 6 日は通常、平均日表面温度が最も高くなる日です。しかし、地下60センチメートルでは、8月20日まで気温は最高になりません。地下1.5メートルなので、9月10日まで待たなければなりません。地下3.5階では10月29日まで待たなければなりません。地下9.4メートルでは、地上とは夏と冬が逆転します。これが、洞窟住居が冬は暖かく、夏は涼しい理由です。さらに、地下の冬と夏の時期は地上のそれとは大きく異なるため、一部の植物の根細胞の再生は実際には冬に起こり、夏には停止します。

火星の空気は薄く、昼と夜の温度差が大きいだけでなく、毎日の平均気温と日照時間の間にも明らかな遅れはありません。金星の光景は全く異なります。大気は密度が高く（地球の大気圧の90倍）、主に温室効果ガスの二酸化炭素で構成されているため、太陽からの熱が「逃げる」ことが難しく、金星の表面は煉獄のように熱くなり、鉛さえも溶けてしまいます。これに比べれば、私たちが地球の大気圏で生活できることは本当に幸運です。