月はなぜ満ち欠けし、日食・月食はどのように起こるのか

科学的要約

Astronooの記事は、食と月の満ち欠けの仕組みを紹介する。これらの現象は、太陽・地球・月の一直線の配置、すなわち朔望から生じると説明する。食は、月が交点線（月の軌道と黄道の交線）の近くにあるときにのみ起こる。記事は、太陽と月の見かけの大きさの驚くべき一致、恒星月と朔望月の違い、月の軌道面の5.145°の傾き、交点の18.61年の歳差について詳述する。また、皆既食・部分食・金環食の観測条件についても述べる。

月はなぜ満ち欠けし、食はどのように起こるのか

本記事は食と月の満ち欠けに捧げられている。月はなぜ日々異なる姿を見せ、太陽はなぜ時に月の背後に消えるのか。その答えは、太陽・地球・月の動きを支配する天体力学にある。月は自ら光を放たず、太陽の光を反射する。私たちが見る照らされた部分は、これら三つの天体の相対的な位置によって決まる。こうして月は29.5日で新月から満月まで8つの主要な相を経る。食は朔望のときに起こるが、三つの天体がほぼ一直線に並ぶときである。しかしこの配置は毎回の朔望で完全ではない。月の軌道は黄道に対して約5.145°傾いているからだ。したがって食は軌道の交点付近でのみ起こる。記事はまた、皆既日食を可能にする魅力的な偶然を探る。太陽は月の約400倍の大きさだが、400倍遠くにあるため、見かけの大きさはほぼ同じになる。最後に、月が年4cmずつ地球から遠ざかることによるこれらの現象の将来の変化を描く。

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月食

食とは何か

食は、太陽・地球・月という三つの天体の直線配置を必要とする。

月食は地球の影による月の掩蔽であり、日食は月の影による太陽の掩蔽である。こうした天体の一致は頻繁に観測され、少なくとも月食と日食がそれぞれ6か月ごとに起こる。

月の満ち欠け

月は私たちに異なる相、すなわち月面の異なる照らされ方を見せる。これは、月の地球周りの回転と、太陽・地球・月の絶えず動く相対位置による。月は太陽の光を反射するだけなので、月の見える部分は、地球と太陽の両方に面している部分だけである。

月の周期における8つの相
相	周期の日	照度	見える部分（北半球）	出（約）	最適な観測
新月	0	0 %	不可視（照らされていない面が地球を向く）	6時	観測不可（日食時を除く）
三日月	2〜6	1〜49 %	右の細い三日月	9時	日没直後、西の空
上弦の月	7	50 %	右半分が照らされる	正午	夕方、南の空で南中
十三夜月	8〜13	51〜99 %	4分の3以上が照らされる（右側）	15時	夕方遅くと夜の一部
満月	14〜15	100 %	完全に照らされた円盤	18時	一晩中（月食時を除く）
十六夜月	16〜21	99〜51 %	4分の3以上が照らされる（左側）	21時	夜の後半と朝
下弦の月	22	50 %	左半分が照らされる	真夜中	夜の終わりと朝、南の空
有明月	23〜28	49〜1 %	左の細い三日月	3時	日の出前、東の空

月の周期性と朔望

月の満ち欠けの周期性は29.5日、すなわち一朔望月または朔望月である。この期間を恒星月（27.32日）と混同してはならない。恒星月は月が恒星に対して同じ位置に戻る期間であり、近点月（27.55日）とも異なる。近点月は月が近地点に戻る期間を測るものである。これら三つの周期が異なるのは、月が地球の周りを回る間に地球が軌道上を進み、また月の軌道自体が楕円で歳差運動を行うからである。

食は朔望、すなわち太陽・地球・月がほぼ一直線に並ぶときに起こる。二つの配置がある：

新月：月が太陽と地球の間にあるとき。照らされた側は太陽を向き、地球から見える面は影の中にある；
満月：地球が太陽と月の間にあるとき。月の見える面は完全に照らされる。

したがって日食は新月のときに起こり、月食は満月のときに起こる。しかし完全な一直線だけでは不十分であり、月が交点線、すなわち月の軌道面と黄道面の交線の十分近くにある必要がある。この窓の外では、月は太陽（新月時）または地球の影（満月時）の上または下を通過し、食は起こらない。

朔望は必ずしも食とはならない。月は29.5日ごとに太陽に対して同じ相対位置に戻るが、交点線はゆっくり移動するため、食は約34.5日の食の季節に集中し、5〜6か月の間隔で区切られる。同じタイプの食（太陽または月）が連続する間には、通常1朔望月、すなわち約29.5日が経過する。これが日食と月食がしばしば15日間隔で交互に起こる理由である。

幸運な偶然が日食を壮観にする

見かけの大きさの一致

太陽の直径（1,400,000 km）と月の直径（3,500 km）の比は約1/400であり、太陽の距離（149,600,000 km）と月の距離（384,000 km）の比も約1/400である。太陽は月の400倍の大きさで400倍遠くにあるため、空での見かけの大きさはほぼ同じ（約0.5°または約30分角）である。実際には、月の見かけの大きさは29.3'〜33.5'の間で変動し、太陽の見かけの大きさは31.5'〜32.5'の間で変動する。

影響と将来の進化

この時間的な一致は、月が時に太陽を完全に隠すため、一部の文明の神話的解釈の基盤となっている。

今日、皆既日食は群衆の情熱を呼び起こす。一部の愛好家は「日食ハンター」と呼ばれ、世界中で食を追いかけている。しかしこの一致は消えゆく。数億年後には金環食しか存在しなくなる。月が年4cmずつ地球から遠ざかっているからだ。

月の公転周期

恒星月

月の恒星公転周期は恒星に対して測定される。これは、地球から見て月が恒星に対して同じ位置に戻るのに必要な時間である。この恒星公転周期は27.321582日、すなわち約27日7時間43分である。

比較として、恒星に対する地球の恒星周期は約23時間56分、すなわち0.99726968日である。これは朔望周期（太陽に対する）より約4分短い。24時間で地球は太陽の周りの軌道を1/365進み、これが約4分に相当するからである。

朔望月

月の朔望公転周期は太陽に対して測定される。これは、地球から見て月が太陽に対して同じ位置に戻るのに必要な時間である。この周期は29.530589日、すなわち約29日12時間44分である。

恒星月より長いのは、1か月の間に地球が太陽の周りの軌道を進むためである。したがって月が太陽に対して同じ位置に追いつくには約2日余分にかかる。

この29.5日の朔望周期が月の満ち欠けのリズムを刻み、日食と月食が約15日の間隔で交互に起こる理由を説明する。

黄道面と交点

黄道に対する月の軌道 — **月の軌道の傾きと交点線**：月の軌道面は黄道面（太陽の周りの地球の軌道面）に対して5.1°傾いている。食は月が交点線、すなわちこれら二つの面の交線を横切るときにのみ起こりうる。
画像出典：astronoo.com（新しいウィンドウ） - AI生成画像、パブリックドメイン。

月の軌道の傾き

朔望公転周期は29.5日であるが、食は毎月起こるわけではない。月は太陽の上または下を通過する。月の地球周りの軌道面と、地球の太陽周りの軌道面（黄道）が一致せず、約5.145°の角をなすからである。

もし月が地球の周りを地球の太陽周りと同じ面、すなわち黄道面上で動いていれば、満月ごとに月食が、新月ごとに日食が29.5日ごとに起こり、それぞれ15日離れていたであろう。

実際には、三つの天体の一直線は月が黄道面に非常に近いときにのみ起こりうる。この面が食に関連してそう名付けられた理由である。

月の軌道の交点

月が黄道面の上を通過する場所を昇交点と呼ぶ。逆に、月が黄道面の下を通過する場所を降交点と呼ぶ。

皆既食または部分食を目撃するには、月が交点線上にある必要がある。これが三つの天体の一直線が完全になる唯一の場所である。したがって年に4〜6回の食があり、少なくとも2回の日食と少なくとも2回の月食がある。

朔望と食の季節

要約すると、食は交点線に近い朔望（三つの天体の一直線）のときに起こる。交点の通過の前後には35日の期間があり、その間に食が起こりうる。34.5日の間に、朔望月が29.5日続くため、2回の日食または2回の月食を観測することが可能である。したがって食は約1か月または5〜6か月の間隔で起こる。

地球と月の距離の影響

地球と月の距離は363,104 km〜405,696 kmの間で変動する。朔望の際に月が地球から遠いほど、食は部分食になる。同じ季節の2回の皆既日食（例えばある夏から翌夏まで）の間隔は通常12朔望月、すなわち354.4日（1年−11日）である。こうして2008年8月1日にモンゴルで皆既食、2009年7月22日に中国で皆既食、2010年7月11日にポリネシアで皆既食を観測することができた。

一直線の条件

地球から見た月と太陽の見かけの軌道面。もし月が地球の周りを地球の太陽周りと同じ面、すなわち黄道面上で動いていれば、満月ごとに月食が、新月ごとに日食が29.5日ごとに起こり、それぞれ15日離れていたであろう。

食の期間は34.5日続くため、この期間中に2〜3回の食がある。また、連続する日食または月食の間には1.5〜6か月ある。三つの天体の一直線は月が黄道面に非常に近いときにのみ起こりうる。この面が食に関連してそう名付けられた理由である。

参考文献

FAQ：食と月の満ち欠けについて知っておきたいこと

月食とは何か

月食は、地球が太陽と月の間に位置し、その影を私たちの衛星に落とすときに起こる。月は地球の影の円錐を横切り、部分的または完全に暗くなる。この現象は、太陽・地球・月が一直線に並ぶ満月のときにのみ起こりうる。

月はなぜ満ち欠けするのか

月は光を放たず、太陽の光を反射する。地球の周りを回るにつれて、私たちの惑星から見える照らされた部分が変わる。この29.5日の周期が、新月から満月までの8つの月相を生み出す。

なぜ満月ごとに食が起こらないのか

月の軌道が黄道面に対して約5.145°傾いているからである。ほとんどの場合、月は完全な一直線の上または下を通過する。食は月が交点、すなわちその軌道が黄道を横切る点の近くにあるときにのみ起こる。

皆既日食と金環日食の違いは何か

皆既日食は、月が太陽面を完全に覆うのに十分地球に近いときに起こる。金環日食は、月がより遠くにあるときに起こる。月はより小さく見え、その周りに太陽の光の輪が見える。この違いは月の軌道の離心率による。

食はどのくらい続くのか

食の持続時間は種類によって異なる。皆既日食は通常数分（最大約7分）続く。月食は数時間続くことがある。月が地球の影を横切るのに時間がかかるからである。

交点線とは何か

交点線は、月の軌道面と黄道面の交線である。この線が黄道を横切る二つの点は、昇交点と降交点と呼ばれる。食は月がこの線の近くにあるときにのみ起こりうる。