月の満ち欠け・日周運動・季節の星座——三つの動きを分ける

1．何を固定して比べるか

「空が変わる」といっても、一晩の変化と一か月の変化は同じではない。このレッスンでは日本付近の北半球中緯度から見た空を考える。月や星の位置を比べるときは、観測場所・日付・時刻・方角を記録する。同じ夜に時刻を変える比較と、日付を変えて同じ時刻に見る比較を分けよう。

2．満ち欠けは「照らされた半球の見え方」

月は太陽光を反射して光る。通常、太陽に向いたほぼ半球が照らされ、その反対側は直接の太陽光が当たらない。月が地球のまわりを公転すると、地球から見える明るい部分の割合が変わる。これが満ち欠けである。月そのものが三日月形に削れたり、明るい半球の面積が毎日大きく変わったりするわけではない。

新月では月は太陽とほぼ同じ方向にあり、照らされた側は地球から見て向こう側にある。満月では月は太陽とほぼ反対の方向にあり、照らされた側をほぼ正面から見る。上弦・下弦では照らされた半球を横から見るため、見かけの円の半分が明るい。明るい側は常に太陽のある側を向くが、空での傾きは時刻や場所によって変わる。

3．月の形から見える時間帯を考える

次の表は、太陽が12時に南中し、6時頃に昇り18時頃に沈む単純化したモデルの目安である。南中は、天体が南の空で子午線を通ること。実際の月の出入り・南中時刻は日付、緯度、経度、月の軌道などでずれる。特に出入りの時刻は季節で変わるので、時刻表としては使わない。

4．一晩の星の動き——日周運動

地球は西から東へ自転するため、空の天体は反対に東から西へ動くように見える。日本から南の空を見ると、南中前の星は東側から高くなり、南中後は西側へ低くなる。北の空では、星は天の北極（北極星の近く）を中心に反時計回りに動く。北極星自身も天の北極から少し離れているので完全に静止しているわけではない。

地平線の下まで回る星は昇ったり沈んだりするが、天の北極に近く、円形の経路全体が地平線より上にある星は沈まない。このような星を周極星という。どの星が周極星になるかは観測地の緯度によって異なる。「すべての星が東から昇り西に沈む」とは限らない。

星空が1周する時間は正確には約23時間56分（恒星日）だが、短い時間の計算では約24時間として、天の北極まわりの回転角を1時間に約15°とする。これは各星の高度や方位が1時間に15°変わるという意味ではない。北極に近い星と遠い星では描く円の大きさも違う。

5．同じ時刻に見る季節の星座

地球が太陽のまわりを公転すると、夜側から宇宙を見る方向が変わる。太陽と反対方向の星座は夜に見やすく、太陽に近い方向の星座は昼の空にあって見えにくい。星座が毎年遠くへ消えるのではない。同じ観測地の同じ時刻でも、公転によって別の方向を見ることになるのである。

時計の平均的な1日（24時間）より恒星日が約4分短いので、同じ星の南中時刻は毎日約4分早まる。30日なら約120分、つまり約2時間早まる。同じ時計時刻に比べると、星空は前月より約2時間分先まで日周運動した位置に見える。この年単位の変化の原因は公転であり、自転の速さが季節ごとに大きく変わるからではない。

観察の安全と、このレッスンの近似

数値は中学理科で用いる概数（朔望月約29.5日、恒星日約23時間56分、月軌道の傾き約5°）である。例題はこれらを使った学習用の設定で、実際の観測記録ではない。角度の式は一定速度の近似、月の時刻表は単純化した位置関係のモデルとして使い、特定の日付の月の出入りや食の予報とは区別する。