月の明るさの話

内山茂男

星空を楽しんだり、流星観測をしたりするときには、月明かりは大変明るいために迷惑なものです。 満月の時には -12.7等級にもなるのですから。 でも、この月の明るさに関して調べてみたら、いろいろと面白いことがわかりました。

大きい月

地球の月は衛星としては大変大きい、とよく言われます。この大きさが月の明るさの原因の1つです。 もしも半径が半分であれば、表面積が4分の1になるので、明るさも4分の1になるわけです。 では、太陽系の他の衛星の大きさはどの程度でしょうか? 実は、月よりも大きい衛星は、表1のように4個もあるのです。 月が衛星としては大変大きいというのは「惑星本体に比べれば」という条件がつきます。

表1.  衛星の大きさランキング 衛星の大きさ
順位衛星名 (惑星) 半径
1ガニメデ (木星)2631 km
2ティタン (土星)2575 km
3カリスト (木星)2400 km
4イオ (木星)1815 km
5(地球)1738 km
6エウロパ (木星)1569 km
7トリトン (海王星)1350 km


でも、「明るさ」という視点で見た場合、「実直径」よりも「視直径」の方が重要です。 ここでの視直径とは、各惑星の表面から見たときのものです。したがって、衛星の実直径が大きいだけでなく、 惑星に近い軌道を持っていることが重要です。求めてみた結果は表2の通りで、 木星の衛星イオが月よりもわずかに大きく見えてNo.1となり、月が2番になりました。 他にも月に近い視直径を持つものもありますから、「月は大きく見える衛星の1つ」と言えそうです。 この表には惑星の衛星を示しましたが、準惑星に分類されている冥王星にも半径 642km もある大きな衛星カロンがあります。 参考までにカロンの視直径も求めてみたところ、6度という大変大きな値になりました。 冥王星からは「握りこぶしよりは小さい程度」の巨大な衛星が見えているのです。 (下の図の右側に一部だけ描いてあるのがカロンです)

表2.  衛星の視直径ランキング 衛星の大きさ
順位衛星名 (惑星) 視直径
1イオ (木星)35.6′
2(地球)31.6′
3トリトン (海王星)28.1′
4エアリエル (天王星)24.1′
5ガニメデ (木星)18.04′
6エウロパ (木星)17.99′
7ウンブリエル (天王星)16.7′

ちなみに、大きい惑星の近くを回っている衛星の場合は、 衛星が地平線近くにあるときと天頂付近にあるときで見える大きさが明らかに異なります。 これは、天頂近くのときの方が、惑星の半径分だけ近くなるからです。 この表に示した値は、天頂付近に見えるときの視直径にしてあります。


衛星の明るさ

表3.  衛星の等級ランキング
順位衛星名 (惑星) 実視等級
1(地球) -12.7
2イオ (木星) -11.3
3エウロパ (木星) -9.8
4ガニメデ (木星) -9.4
5フォボス (火星) -9.3
6テティス (土星) -8.5
7レア (土星) -7.6

さて、太陽から遠い惑星の場合は衛星を照らす太陽光が弱くなるので、衛星の明るさも弱くなります。 また、表面の反射率も大きく影響します。それらを考慮して「惑星表面から見た等級」を算出してみました(表3)。

結果は、我らの「月」が1番でした。木星や土星には大型衛星がありますが、衛星を照らす太陽光が弱くなるため、 月ほどの明るさにはなりませんでした。でも、月と極端な違いはありません。 これは衛星の反射率の違いが大きく影響しているのでしょう。興味深いのは、火星の衛星フォボスが5位にランクインしたことです。 フォボスの半径は13.5×10.7×9.6kmということで、平均しても11.15km相当です。 これは月の1738kmの156分の1しかありません。こんなに小さい衛星なのですが、 火星に近い軌道を公転しているため視直径は月の4割くらいもあり、明るく見えるのです。 また、この表に入れませんでしたが、冥王星の衛星カロンも−10.7等です。 太陽から遠いために照らす太陽光は弱いのですが、視直径が6度もある上に、主成分が氷(?)で反射率が高いためです。 もちろん衛星の明るさは満ち欠けによって大きく変わります。ここで求めたのは満月状態のときの明るさです。

(木星や土星で、惑星に近い軌道を持つ衛星の場合で天頂付近に見えて満月状態の場合では、 月食状態になってしまいますので、実際にはこの表で示した値ほど明るい姿を見ることはできないと思われます。)

さて、月の明るさが一番と言うことですから、やはり月明かりは強烈で、そういう衛星を持っている地球は、 星空を見る上で運が悪かったということです。でも、木星や土星は明るい衛星をいくつも持っていますから、 どれかが夜空を照らしていることが多いので、それらよりは地球の方がよかったかもしれません。

と、ここまで書いてから、明るさの違いも図にしてみようと思いました。 等級の数値を見ただけではその明るさの違いがよくわかりませんので、光量に比例する面積で円を描いてみたのが下の図です。 こうして見ると、月の明るさはすごいんですね。土星は衛星が多いといっても、たいしたことがないこともわかりました。

衛星の明るさ比較
図


月の海

月の表面には暗い「海」があります。ここは玄武岩溶岩が流出して埋めたところですが、 その玄武岩は黒っぽいために暗く見えるのです。この海があるおかげで月明かりがやや減っています。 例えば上弦の月と下弦の月を比べると、下弦の月の方が海の占める割合が高いため、月明かりが控えめになります。 流星観測をしていても下弦を過ぎると観測条件が良くなってくるのがわかります。

月は公転周期と自転周期が同期していて、いつも同じ面を地球に向けています。そのため、裏側は地球上から見られません。 その裏側の様子ですが、探査機の調査から「海がほとんどない」ということがわかっています。 どうして海が片側に集まっているのかまだよくわかっていないようですが、海が多い面が地球の方を向いているのは幸運でした。 月明かりが少し減りますし、肉眼でもわかる模様がいつも見られるのですから。


衝効果

影の図

月は、満月のときに急に明るくなり、これを“衝効果”と呼んでいます。細かい凸凹がたくさんあるのが原因です。
例えば、右上図のように円錐の地形が3つ並んでいたとします。そこに斜めから太陽光が当たれば右図のように影ができます。 これを真上(地球)から見ると右下図のように影がたくさん見えます。 でも、満月の時にはこの影が見えなくなるので、明るくなるのです。

(地球がこの地形の真上から見ている必要はありません。たとえ影ができていても、 太陽光と同じ方向から見れば、その影は見えないのです。)
でも、仮に月面が滑らかでしたら、光が斜めから当たっても影ができません。 したがって、衝効果というのは「衝のときに特に明るくなる」というよりも「衝以外のときは凸凹の影で少し暗くなる」という、 ありがたい現象なのです。


宇宙風化

月面には大気も水もありません。したがって、風化や浸食が起こらずクレーターなどが残されている、と言います。 でも、全く風化がない世界ではないのです。風化の原因の一つは流星物質や隕石です。地球と違って大気がないため、 流星物質は月の地表に衝突し、表面に大変小さなクレーターを作るとともに、そのときの破片(レゴリス)が積もっていきます。 さらに注目すべきことは、この流星物質の衝突によって「光の反射率が下がる」という現象が起きることです。 この暗化現象が「宇宙風化」です。衝突時に高温になることなどの理由で金属鉄微粒子が生成され、 この金属鉄が可視光を吸収して黒く見えるそうです。また、衝突で融解したレゴリスの液滴が急冷されることでガラス玉も生じ、 これも光を吸収するそうです。こうして、長期間の宇宙風化により月面の反射率は下がってきたのです。

ティコやコペルニクスのようなクレーターには放射状の光条があります。 また、新しいクレーターの周囲は明るく光っています。 これは、大きな隕石の衝突によって宇宙風化を受けていない内部の岩石が表面に出てきたためです。 もしも宇宙風化という現象がなければ、真っ白に見えるアリスタルコスクレーターの内部と同じくらいの明るさで、 月全体が輝いているのでしょう。そうなっていたら、月の明るさは現在の何倍にもなっていたはずです。

ティコ ティコの光条


月は大きいため明るく見えます。これは暗い星空を見るためには邪魔ですが、 あの大きさがあったからこそ“皆既日食”という奇跡的な現象が見られるのですから、 この大きさを持つ月があるということは大変幸運なことです。 さらに、反射率を下げる「海」や「宇宙風化」があったということも大変幸運なことだったと思います。 もしも、月に大気と水があり金星のように表面を雲が覆っていたら、とてもまぶしく輝き、 現在より2等級ほど(6倍程度)明るくなってしまいます。そのうえ衝効果も少なくなってしまうのですから。

参考文献

天文年鑑2010(誠文堂新光社) 衛星のデータ
最新・月の科学 - 残された謎を解く -(NHKブックス) 渡部潤一編著



この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」80号(2011年 2月発行) に掲載したものを、一部書き直したものです。


内山Top “まがたま”の部屋