太陽光仰角が傾くにつれて照射量が小さくなることへの現象説明

私が小学生の自分に、「なんで冬は寒くなるのか？　」と言う質問が先生から出たことがあった。

ヒントは「太陽の見える位置がだんだん低くなっている」であった。

期待される答えは「太陽が出ている時間が短いから」であっただろうが、私の言ったことは違った。

太陽から見て９０度に当たる位置よりも４５度に当たる位置の方が陽の光がトータルで少なくなると言うことを太陽と地球のモデルを示し、それを言及したのだが、それをクラスの子どもたちは理解しなかったし、先生も理解しなかった。
そして何より私がそれを上手く説明できなかった。それに悔いが残る。

よってここにその時の説明の続きを行う。

太陽の大きさと地球の大きさは109倍の開きがあって太陽の方が大きい。
また、太陽と地球は十分に離れているので、よって球の中心から全ての方向へ発せられる線の角度は考えないものとする。
要は、太陽から発せられた太陽光が地球に届いた時に、全て並行直線になって届くと見なせるよね、と言うことを言いたい。

さて、太陽光の進行方向から見て垂直方向に見立てた面があったとする。そこに垂直に突き立つ太陽光があり、そこの照射量は単位面積あたりにおいては全て等しい照射量になる。

この面を正方形だったとして、その正方形にめがけて正方形の太陽光が投げかけられるとする。
この照射量を１００％とする。
ところが、この正方形にやってくる太陽光の内、受け止める面の正方形を斜めにずらし、５０％は照射されるようキャッチするよう面の角度を調整するが、残り５０％は照射されないよう逃すようにしたとする。

そうすると面の大きさは変わっていないのに、面の角度が変わっただけで照射量は５０％減ったことになる。
太陽光から届くのは可視光の他に赤外線も含まれる。
よって熱として伝播するエネルギーの受領総量が５０％になったことで、大地は冷えるのだ。

これは地球の自転軸の傾きと公転による年次の太陽入射光角度の緯度的変化によって、この受領する面の角度が変化する。よって太陽から気温を変化させる要因としての太陽光エネルギーの受領総量が変化し、それに伴って地球は暑くなったり寒くなったりする。