惑星の温度は、恒星から近いほど高く、遠いほど低くなる傾向があります。しかし、距離だけで温度が決まるわけではありません。
惑星が恒星からどれだけエネルギーを受け取るかに加えて、表面や雲がどれだけ光を反射するか、大気が熱をどれだけ閉じ込めるか、昼側の熱を夜側へどれだけ運べるか、さらに惑星内部からどれだけ熱が出ているかによって、実際の温度は大きく変わります。
太陽系では、太陽に最も近い水星よりも金星のほうが平均的には高温です。金星には非常に厚い二酸化炭素大気があり、強い温室効果によって熱が保たれるからです。
つまり惑星の温度は、「受け取るエネルギー」と「反射するエネルギー」と「宇宙へ逃がす熱」、そして「惑星内部から出る熱」のバランスで決まります。
まず恒星からの距離が受け取るエネルギー量を左右する
惑星の温度を考える最初の要因は、恒星から受け取る放射エネルギーです。
同じ恒星のまわりなら、一般に近い惑星ほど強い放射を受け、遠い惑星ほど受け取るエネルギーは少なくなります。OpenStaxは、太陽から遠ざかるほど放射エネルギーが弱くなるため、惑星や衛星の表面温度は全体として低くなる傾向を説明しています。
NASAの太陽系惑星の平均温度一覧でも、全体として太陽から遠い惑星ほど低温になる傾向が見られます。
ただし、この関係には大きな例外があります。それが金星です。
金星が水星より熱いことが「距離だけではない」と示している
水星は太陽に最も近い惑星ですが、太陽系で平均的に最も高温の惑星は金星です。
NASAは、金星の平均温度を約464℃、水星を約167℃として紹介しています。水星は昼側が非常に高温になる一方、夜側は大きく冷え込みます。
一方、国立天文台は、金星の大気の主成分が二酸化炭素であり、その強い温室効果によって表面温度が約460℃に達すると説明しています。
この比較から、惑星の温度は「恒星に近い順」だけでは説明できないことが分かります。
惑星が光をどれだけ反射するかでも温度は変わる
恒星から届いた光がすべて惑星に吸収されるわけではありません。
雲、氷、地表、砂、海などは、入射した光の一部を宇宙へ反射します。入ってきた光のうち、どれくらいを反射するかを表す考え方がアルベドです。
反射率が高い惑星は、多くのエネルギーを宇宙へ返すため、同じ量の日射を受けても吸収するエネルギーは少なくなります。反対に、暗い表面や雲で反射が少なければ、より多くのエネルギーを吸収できます。
NASAの惑星温度教材でも、惑星の平均表面温度を考える主要因として、恒星放射、アルベド、温室効果が挙げられています。
雲は冷やす場合も温める場合もある
雲は、惑星温度へ一方向だけに働くわけではありません。
可視光をよく反射する雲は、恒星光を宇宙へ返すことで惑星を冷やす方向に働きます。一方、雲が赤外線を吸収して再放射すれば、熱を逃げにくくして温める方向にも働きます。
どちらの効果が強いかは、雲の高度、厚さ、粒子の大きさ、成分、波長によって変わります。
そのため「雲が多い惑星は必ず低温」「雲が多いほど必ず温暖」という単純な関係にはなりません。
大気の温室効果は表面温度を大きく変える
惑星の表面は恒星光を吸収すると温まり、主に赤外線としてエネルギーを宇宙へ放出します。
しかし大気中に水蒸気、二酸化炭素、メタンなど赤外線を吸収する気体があると、その赤外線の一部が吸収・再放射されます。これが温室効果です。
OpenStaxは、温室効果によって惑星表面から宇宙へ逃げる赤外線が妨げられ、エネルギー収支が再び釣り合うまで表面と下層大気の温度が上昇すると説明しています。
大気の組成と厚さは、惑星が恒星から受け取ったエネルギーをどれだけ長く保持するかを左右します。
金星の高温は厚い二酸化炭素大気の強い温室効果による
金星は、温室効果が惑星温度へ与える影響を理解する代表例です。
金星の厚い二酸化炭素大気は、表面から出る赤外線を強く吸収します。OpenStaxは、金星の地表温度が700 Kを超える高温になる主因として、この非常に強い温室効果を挙げています。
金星は太陽に近いことでも多くのエネルギーを受けますが、現在の高温を「太陽に近いから」だけで説明することはできません。
同じような距離だけの考え方なら、水星のほうが常に最も高温になるはずですが、実際にはそうではありません。
大気が少ない水星では昼夜の温度差が非常に大きい
水星には地球や金星のような厚い大気がありません。
そのため、昼側で受け取った熱を大気の流れによって夜側へ運ぶ仕組みがほとんどありません。また水星はゆっくり自転するため、一つの場所が長時間太陽に照らされ、その後長時間夜になります。
NASAは、水星では昼夜の温度差が1000°Fを超えることがあると説明しています。
この例は、「惑星の温度」を一つの平均値だけで考えると重要な特徴を見落とすことを示しています。
自転速度は昼夜の加熱時間と熱の分配に関係する
惑星の自転速度も温度分布へ影響します。
自転が速ければ、同じ場所が昼と夜を比較的短い周期で繰り返します。自転が遅ければ、一つの場所が長時間加熱されたり冷却されたりします。
ただし、自転が遅ければ必ず昼夜差が大きくなるわけではありません。金星のように厚い大気を持つ惑星では、大気循環が熱を広い範囲へ運ぶため、表面温度の昼夜差は水星ほど極端ではありません。
自転と大気の熱輸送はセットで考える必要があります。
大気や海洋は熱を別の場所へ運ぶ
惑星が受ける恒星光は、場所によって均等ではありません。
一般に昼側や低緯度ほど多くのエネルギーを受け、夜側や高緯度では少なくなります。大気の風や海洋の流れは、この偏った熱を別の場所へ運びます。
地球では大気循環と海洋循環が、赤道付近の熱を中高緯度へ運び、昼夜・季節・緯度による温度差を調整しています。
系外惑星でも、同じ恒星放射を受ける惑星同士で大気循環の違いがあれば、表面や雲頂の温度分布は異なる可能性があります。
軌道が楕円なら恒星から受ける熱も公転中に変わる
惑星の軌道は完全な円とは限りません。
離心率が大きい楕円軌道では、恒星に近い時期と遠い時期で受け取る放射エネルギーが変わります。
そのため、平均的な軌道距離が同じでも、軌道の形が違えば季節的な加熱の変化幅が異なることがあります。
ただし、実際の温度応答は大気や海洋の熱容量にも左右されます。恒星から受けるエネルギーが変わっても、表面温度がすぐ同じ割合で変わるとは限りません。
自転軸の傾きは季節ごとの温度分布を変える
惑星の自転軸が公転面に対して傾いていると、公転中に各半球が受ける恒星光の量が変わります。
地球の季節はその代表例です。
自転軸の傾きが大きい惑星では、季節による日射量の差も大きくなる可能性があります。一方、傾きが小さければ季節変化は比較的小さくなります。
したがって「惑星の温度」は年間平均だけでなく、季節ごとの変化として考えることも重要です。
惑星内部から出る熱も無視できない場合がある
惑星の熱源は恒星からの光だけではありません。
形成時に蓄えられた熱、重力収縮、内部の物質分化、放射性元素の崩壊などによって、惑星内部からも熱が出ます。
NASAは、木星・土星・海王星が太陽から受け取る以上のエネルギーを宇宙へ放出しており、その余分な熱が惑星内部から来ると説明しています。
特に太陽から遠い巨大惑星では、内部熱が大気の対流や気象を支える重要なエネルギー源になります。
遠い惑星でも内部熱によって活発な大気運動が起こりうる
海王星は太陽から非常に遠く、受け取る太陽エネルギーは少ない惑星です。
それでも海王星には強い内部熱源があり、大気は非常に活発です。
NASAは、海王星の冷たい雲頂と内部熱源との温度差が、大規模な大気運動を引き起こす要因の一つになりうると説明しています。
この例からも、惑星温度や気象を恒星からの距離だけで考えるのは不十分だと分かります。
「表面温度」が定義しにくい惑星もある
地球、水星、金星、火星のような岩石惑星では、固体表面の温度を考えられます。
しかし木星、土星、天王星、海王星には地球のような明確な固体表面がありません。
NASAの太陽系惑星温度一覧では、巨大惑星について地球の海面気圧に相当する圧力の大気層で温度を比較しています。
そのため「木星の温度」「海王星の温度」と言うときは、どの高度・圧力・波長で測った値なのかを確認する必要があります。
同じ惑星でも場所や高度によって温度は違う
惑星には、一つだけの温度があるわけではありません。
昼側と夜側、赤道と極、地表と上空、雲の上と下では温度が異なります。
国立天文台は、気象衛星ひまわり8・9号の赤外線観測を利用し、金星大気の異なる高度に対応する輝度温度の長期変動を測定した研究を紹介しています。
惑星の「平均温度」は比較には便利ですが、実際の大気・気候を理解するには、三次元的な温度分布と時間変化を見る必要があります。
惑星の温度は形成・進化の歴史でも変わる
惑星の温度条件は、誕生から現在まで一定ではありません。
若い惑星は形成時の熱を多く残している場合があります。また恒星自身の明るさや活動も時間とともに変化します。
さらに、大気を失ったり、火山活動で新しい気体が供給されたり、海や岩石との化学反応で温室効果を持つ気体の量が変わったりすると、惑星の温度も変化します。
現在の温度は、現在の距離だけでなく、惑星がどのような大気と内部状態へ進化してきたかの結果でもあります。
温度は液体の水が存在できるかを考える重要条件
惑星表面に液体の水が存在できるかを考えるとき、温度は重要です。
しかし恒星からの距離だけを見て「ここなら水が液体になる」と決めることはできません。
大気圧や温室効果によって表面温度は大きく変わるからです。NASAのハビタブルゾーン教材でも、惑星の平均温度を決める要因として、恒星放射だけでなくアルベドと温室効果を組み合わせて考えています。
したがって系外惑星の居住可能性を考える場合も、軌道距離だけではなく大気や惑星特性を調べる必要があります。
「恒星から遠いほど寒い」は出発点であって結論ではない
太陽系を大まかに見ると、太陽から遠い惑星ほど低温になる傾向は確かにあります。
しかし、その傾向だけでは金星と水星の逆転、地球の比較的穏やかな気温、水星の巨大な昼夜差、遠方巨大惑星の内部熱などを説明できません。
惑星温度を理解するときには、「恒星からどれだけ受け取るか」「どれだけ反射するか」「大気がどれだけ熱を閉じ込めるか」「熱をどこまで運べるか」「内部からどれだけ出るか」という複数の要因を見る必要があります。
距離は重要ですが、惑星温度を決める多くの条件の一つです。
まとめ
惑星の温度は、恒星からの距離だけでは決まりません。
恒星に近いほど受ける放射エネルギーは大きくなる傾向がありますが、実際の温度は、表面や雲の反射率、大気の温室効果、自転や大気・海洋による熱輸送、軌道や自転軸による季節変化、さらに惑星内部から出る熱によって変わります。
金星が水星より高温なのは、厚い二酸化炭素大気による強い温室効果があるためです。一方、水星は大気が非常に希薄で熱を運びにくいため、昼夜で極端な温度差が生まれます。木星・土星・海王星のような巨大惑星では、内部熱も無視できません。
つまり惑星の温度は、恒星から受け取るエネルギーと、反射・温室効果・熱輸送・内部熱によって出入りするエネルギーの総合的なバランスとして決まります。惑星ごとの温度の違いを理解することは、その大気・気候・内部・進化の違いを理解する入口になるのです。
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