影の長さが時間で変わるのはなぜ？
朝や夕方の影は長く、昼ごろの影は短くなります。これは、太陽が空のどの高さにあるかによって、光が地面へ当たる角度が変わるからです。太陽が低いと光は斜めから当たり、影が長く伸びます。太陽が高いと光は上のほうから当たり、影が短くなります。
朝と夕方は長く、昼ごろは短くなる
晴れた日に同じ場所に立って、時間をあけて足元を見ると、影の長さが変わっていることに気づきます。自分の身長が変わったわけではありません。太陽の見える位置が変わったためです。
- 朝：太陽は空の低い位置にあり、影は長く伸びます。
- 昼ごろ：太陽が高くなるにつれ、影は短くなります。
- 夕方：太陽が再び低くなると、影はまた長くなります。
葛飾区郷土と天文の博物館でも、同じ棒の影を時間ごとに観察し、昼より夕方の影が長いことを確かめています。
太陽が低いと影が長くなるのはなぜ？
光には、基本的にまっすぐ進む性質があります。太陽から来た光が人や木、棒などにさえぎられると、その向こう側には直接の光が届かない部分ができます。これが影です。
太陽が高いとき、光は地面へ急な角度で当たります。棒の上端を通る光も、棒の近くの地面へ届くため、影は短くなります。
反対に太陽が低いときは、光が地面に沿うような浅い角度で当たります。棒の上端を通る光は、棒から遠く離れた地面まで進むので、影が長く伸びます。
同じ高さの棒を平らな地面にまっすぐ立てた場合、太陽の高さが高いほど影は短く、低いほど長くなります。国立天文台も、影の長さが物の高さと太陽の高度によって決まることを示しています。
影の向きも時間とともに変わる
影は長さだけでなく、伸びる方向も変わります。影は基本的に、太陽がある方向の反対側にできます。
日本では、太陽は朝に東寄りの空から昇り、昼ごろに南の空で高くなり、夕方には西寄りの空へ沈みます。そのため、地面に立てた棒の影は、朝は西側へ、昼ごろは北側へ、夕方は東側へと向きを変えていきます。
太陽が昇る方角や沈む方角は季節によって少し違うので、影がいつも真西や真東を向くわけではありません。それでも、太陽の反対側に影が伸びるという関係は変わりません。
太陽が動くように見えるのはなぜ？
太陽が朝から夕方にかけて東から西へ移動して見えるのは、主に地球が自転しているためです。地球は西から東へ回っているので、地上にいる私たちには太陽が反対向きに動くように見えます。
この見かけの動きに合わせて、太陽の高さや方向も変わり、同じ物の影の長さと向きが変化します。
つまり、朝と夕方で影の伸び方が違うのは、光や物の性質が変わったからではなく、太陽からの光が地面へ届く角度が変わるからなのです。
影が一番短いのは、12時ちょうど？
一日のうちで太陽が最も高くなるとき、同じ棒の影は最も短くなります。太陽がその日に一番高い位置へ来ることを「南中（なんちゅう）」といいます。
南中は正午ごろですが、必ず時計の12時ちょうどとは限りません。観察する場所や日付によって、太陽が最も高くなる時刻が違うためです。
そこで、影の長さを比べるときは、12時だけでなくその前後にも観察すると、最も短い時間帯を見つけやすくなります。影が短いことから、太陽が高い位置にあると分かります。
同じ時刻でも夏と冬で影の長さが違う
毎日の時間による変化に加えて、影の長さは季節によっても変わります。日本では、昼ごろの太陽は夏に高く、冬に低くなります。
そのため、同じ場所に同じ高さの棒を立てて比べると、一般に夏の昼の影は短く、冬の昼の影は長くなります。これは、地球の回転する軸が傾いていて、地球が太陽の周りを回る間に、太陽の通る高さが季節ごとに変わるためです。
葛飾区郷土と天文の博物館の観察でも、9月と12月では昼の影の長さが異なり、12月のほうが長いことが紹介されています。
棒を立てて影の変化を観察してみよう
晴れた日なら、同じ場所で影の長さと向きを記録できます。
- 日当たりがよく、平らで安全な場所に、消しゴムに差した鉛筆などの棒をまっすぐ立てます。
- 棒の根元が動かないようにし、午前9時ごろに影の先端へ印をつけ、長さを測ります。
- 正午ごろと午後3時ごろにも、棒を動かさず同じように測ります。
- 影の先端の位置と長さを比べ、向きも記録します。
朝から昼へ影が短くなり、昼から夕方へ再び長くなる様子が分かります。太陽の高さを確かめるときも、太陽を直接見つめず、地面にできた影を観察しましょう。