日光

太陽光は、太陽から放射される電磁放射の一部であり、特に赤外線、可視光線、紫外線です。地球上では、太陽が地平線より上にあるとき、太陽光は大気圏で散乱、フィルタリングされ、昼光となります。太陽からの直射日光が雲に遮られなければ、明るい光と大気の放射熱が組み合わさった太陽光として感じられます。雲に遮られたり、他の物体に反射されたりすると、太陽光は拡散します。情報源によると、1日24時間で地球全体の平均は1平方メートルあたり164ワットから340ワット^{[1]と推定されています。 [2]この数値は、NASAの推定によると、地球の平均}総太陽放射量の約4分の1に相当します。

太陽光に含まれる紫外線は、ビタミン D _{3 の}合成に必須であると同時に変異原性物質でもあるため、健康に良い影響と悪い影響の両方があります。

太陽光が太陽の表面から地球に到達するまでには約8.3分かかります。^{[3]太陽の中心から出発し、}荷電粒子に遭遇するたびに方向を変える光子は、表面に到達するまでに1万年から17万年かかります。^[4]

太陽光は光合成の重要な要素です。光合成とは、植物やその他の独立栄養生物が、通常は太陽からの光エネルギーを、炭水化物を合成して生物の活動の燃料となる 化学エネルギーに変換するプロセスです。

採光とは、太陽光を取り入れて室内を自然に照らすことです。 太陽放射照度とは、太陽光から得られる太陽エネルギーのことです。

研究者は、日照計、全天日射計、または日射計を使用して太陽光の強度を測定することができます。地上に到達する太陽​​光の量を計算するには、地球の楕円軌道の離心率と地球の大気による減衰の両方を考慮する必要があります。年間日数（dn）を使用して楕円軌道を補正した地球外太陽照度（E _ext ^{）は、 [5]}によって良好な近似値が得られます。

${\displaystyle E_{\rm {ext}}=E_{\rm {sc}}\cdot \left(1+0.033412\cdot \cos \left(2\pi {\frac {{\rm {dn}}-3}{365}}\right)\right),}$

ここで、1 月 1 日は dn=1、2 月 1 日は dn=32、3 月 1 日は dn=59 (うるう年は dn=60) などです。この式では dn–3 が使用されています。これは、現代では地球の近日点、つまり太陽に最も近づく点、したがってE _{ext が}最大になる点が毎年 1 月 3 日頃に発生するためです。0.033412 という値は、近日点 (0.98328989 AU) の 2 乗と遠日点 (1.01671033 AU) の 2 乗の比がおよそ 0.935338 になることから決定されます。

太陽照度定数（E _sc ^{）は128×10 3} ルクスに等しい。大気の減衰効果を補正した 直達照度（E _{dn ）は次のように表される。}

${\displaystyle E_{\rm {dn}}=E_{\rm {ext}}\,e^{-cm},}$

ここで、cは大気の減光、m は相対的な光学空気質量です。大気の減光により、ルクスの数は 100,000 ルクス程度まで低下します。

太陽の天頂から地上レベルで受け取るエネルギーの総量は、太陽までの距離、したがって季節によって異なります。1月は平均より約3.3%高く、7月は3.3%低くなります（下記参照）。地球外太陽放射が1平方メートルあたり1,367ワット（地球と太陽の距離が1天文単位のときの値）であるとすると、太陽が天頂にあるときの地球表面への直射日光は約1,050 W/m ²ですが、地面に当たる総量（大気からの直接および間接）は約1,120 W/m ²です。^[6]エネルギーの点では、地球表面の太陽光は、約52〜55パーセントが赤外線（700 nm以上）、42〜43パーセントが可視光線（400〜700 nm）、3〜5パーセントが紫外線（400 nm以下）です。^[7]大気圏上層部では太陽光の強度が約30％高く、紫外線（UV）が約8％含まれます。^[8]余分なUVのほとんどは生物学的に有害な短波紫外線です。^[9]

直射日光の発光効率は、放射束1ワットあたり約93 ルーメンです。これは、 LED以外の人工照明の効率（光源）よりも高く、つまり、照明に日光を使用すると、蛍光灯や白熱灯よりも部屋の温度が上昇しません。1平方メートルあたり1,050ワットという数字に1ワットあたり93ルーメンを掛けると、明るい日光は約98,000ルクス（ 1平方メートルあたりのルーメン）の照度を提供することがわかります。太陽が空のそれほど高くない場合、水平面の照度はこれよりもかなり低くなります。1日平均すると、水平面上の太陽光の量が最も多いのは1月の南極です（日射量を参照）。

1,050 W/m ^2の放射照度を太陽の円盤の大きさ（ステラジアン）で割ると、平均放射照度は1平方メートルあたり1ステラジアンあたり15.4 MWとなる。（ただし、太陽円盤の中心の放射照度は、周辺減光のため、円盤全体の平均よりもいくらか高い。）これにπを掛けると、鏡を使って表面に集光できる放射照度の上限は48.5 MW/m ²となる。^[10]

太陽の太陽放射のスペクトルは、約 5,800 K [13] の温度を持つ黒体 [11] [12] のスペクトルに例えることができます(グラフを^参照)  。^太陽は、電磁スペクトルのほとんどにわたって EM 放射を放射しています。太陽核で生成される放射は主にX 線で構成されていますが、これらの超高エネルギー光子は、太陽の表面に到達して宇宙に放射される前に、内部吸収と熱化によって低エネルギー光子に変換されます。その結果、太陽の光球は、X 線や太陽フレアの際のガンマ線などの「ハード放射線」を放射するものの、X 放射線 (太陽 X 線) をあまり放射しません。^[14]静かな (フレアが発生していない) 太陽は、コロナを含めて、X 線、紫外線、可視光線、赤外線、電波など、広範囲の波長を放射します。^[15]光球の深さによって温度が異なり、これが黒体スペクトルからの偏差を部分的に説明しています。^[16]

静止した太陽からもガンマ線が放出されており、0.5～2.6 TeVのべき乗則に従っている。一部のガンマ線は太陽の大気と相互作用する宇宙線によって発生するが、それだけでは今回の発見を説明できない。^{[17] [18] [19]}

太陽の中心部における核反応の唯一の直接的な証拠は、非常に弱い相互作用をするニュートリノによるものです。

太陽コロナは極端紫外線とX線放射の源であるが、これらの放射線は太陽のエネルギー出力のごく一部を占めるにすぎない（右のスペクトルを参照）。地球の大気圏に当たるほぼすべての太陽電磁放射のスペクトルは、 100nmから約1mm（1,000,000nm）の範囲に 及ぶ。[ ^{要出典]この重要な放射パワーの帯域は、}波長が増加する順に5つの領域に分けることができる：^[20]

• 紫外線 Cまたは (UVC) の範囲は、100 ～ 280 nm の範囲です。紫外線という用語は、放射線が紫色光よりも高い周波数である (したがって、人間の目には見えない) ことを意味します。大気による吸収により、地球の表面に到達するのはごくわずかです。このスペクトルの放射線には殺菌特性があり、殺菌灯に使用されています。
• 紫外線B（UVB）の範囲は280～315nmです。地球の大気圏でも大きく吸収され、UVCとともに光化学反応を引き起こし、オゾン層の形成につながります。直接DNAにダメージを与え、日焼けを引き起こします。^[21]この短期的な影響に加え、皮膚の老化を促し、皮膚がんの発生を著しく促進します。^[22]また、哺乳類の皮膚におけるビタミンDの合成にも必要です。 ^[21]
• 紫外線A（UVA）は315～400nmの範囲です。この帯域はかつて^DNAへのダメージが少ないと考えられていたため^、化粧品の人工日焼け（日焼けブースや日焼けベッド）や乾癬のPUVA療法に使用されていました。しかし、UVAは現在では間接的な経路（フリーラジカルや活性酸素種の形成）を介してDNAに重大な損傷を引き起こし、がんを引き起こす可能性があることが分かっています。^[23]
• 可視光線の範囲は380～700nmです。 ^[24]名前の通り、この範囲は肉眼で見ることができます。また、太陽の全放射スペクトルの中で最も強い出力範囲でもあります。
• 700 nm から 1,000,000 nm (1 mm ) に及ぶ赤外線範囲 。地球に到達する電磁放射の重要な部分を構成します。科学者は、波長に基づいて赤外線範囲を 3 つのタイプに分類します。
  • 赤外線A: 700 nm～1,400 nm
  • 赤外線B: 1,400 nm～3,000 nm
  • 赤外線-C: 3,000 nm ～ 1 mm。

1972年に米国オレゴン州ポートランドにある米国農務省森林局太平洋北西部森林牧場試験場が発行した、北緯0度から60度のさまざまな斜面における直達太陽放射量（平方センチメートルあたりのカロリー）の表がウェブに掲載されている。^[25]

太陽系のさまざまな天体は、太陽からの距離の二乗に反比例した強度の光を受け取ります。

太陽系の各惑星が大気圏上部で受ける太陽放射量を比較した表：^[26]

表面で観測される太陽光の実際の明るさは、大気の存在と組成にも左右される。例えば、金星の厚い大気は、受ける太陽光の60%以上を反射する。表面の実際の照度は約14,000ルクスで、地球の「曇り空の昼間」の照度に匹敵する。^[27]

火星の太陽光は、やや曇りの日の地球の昼光とほぼ同じで、探査機が撮影した写真からもわかるように、空からの拡散放射が十分にあるため、影が特に暗く見えることはありません。したがって、地球の昼光と非常によく似た感覚と「感覚」が得られます。表面のスペクトルは、火星の大気中の赤みがかった塵による散乱のため、地球のスペクトルよりもわずかに赤みがかっています。

比較すると、土星の平均的な日の出や日の入りの太陽光は地球の太陽光よりわずかに明るい。冥王星でさえ、太陽光は平均的なリビングルームとほぼ同じくらいの明るさである。地球で 満月の光と同じくらい暗い太陽光を見るには、約 500 AU (約 69光時間) の距離が必要である。太陽系でそのような距離よりも遠い軌道を回っていることが知られている天体はほんの一握りしか発見されておらず、その中には90377 セドナや(87269) 2000 OO 67がある。

地球上では、太陽放射は地平線上の太陽の角度によって変化し、夏には高緯度地域で日照時間が長くなりますが、冬には当該極付近ではまったく日照がありません。直接放射が雲に遮られていない場合、それは日光として感じられます。地面（および他の物体）の温暖化は、熱の形での電磁放射の吸収に依存します。

惑星が受ける放射線の量は、恒星と惑星の間の距離の2乗に反比例して変化します。地球の軌道と傾斜角は時間とともに変化し（数千年にわたって）、時にはほぼ完全な円を形成し、時には軌道離心率が5％（現在は1.67％）にまで広がります。軌道離心率が変化しても、太陽からの平均距離（長半径）は大きく変化しないため、ケプラーの第二法則により、年間の総日射量はほぼ一定のままです。

${\displaystyle {\tfrac {2A}{r^{2}}}dt=d\theta ,}$

ここで、は「面積速度」不変量です。つまり、軌道周期（これも不変）にわたる積分は定数です。 ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \int _{0}^{T}{\tfrac {2A}{r^{2}}}dt=\int _{0}^{2\pi }d\theta =\mathrm {constant} .}$

太陽放射パワー P が時間に対して一定であり、太陽放射が逆二乗則で与えられると仮定すると、平均日射量も一定になります。しかし、地球表面で受ける太陽放射の季節的および緯度的な分布と強度は変化します。^[28]太陽の角度が気候に及ぼす影響は、夏と冬の太陽エネルギーの変化につながります。たとえば、緯度65 度では、地球の軌道の変化により 25% 以上変化する可能性があります。冬と夏の変化は相殺される傾向があるため、どの場所でも年間平均日射量の変化はほぼゼロですが、夏と冬のエネルギーの再分配は季節サイクルの強度に強く影響します。太陽エネルギーの再分配に関連するこのような変化は、近年の氷河期の到来と終了の原因であると考えられています(ミランコビッチサイクルを参照)。

宇宙からの太陽放射照度の観測は 1978 年に始まりました。これらの測定により、太陽定数は一定ではないことが示されました。太陽定数は、11 年の太陽黒点周期を含む多くの時間スケールで変化します。^[29]さらに時間を遡る場合は、過去 400 年間については太陽黒点を使用し、10,000 年前までは宇宙線生成放射性核種を使用して放射照度の再構築に頼る必要があります。このような再構築は行われています。^{[30] [31] [32] [33]}これらの研究は、太陽周期 ((シュワーベ) 周期) による太陽放射照度の変動に加えて、太陽活動は、提案されている 88 年 (グレイスバーグ周期)、208 年 (デブリース周期)、1,000 年 (渦周期) などのより長い周期で変動することを示し

太陽定数は、フラックス密度の尺度であり、 1天文単位（AU）（太陽から地球までの平均距離にほぼ相当）の距離で、光線に垂直な平面に入射する単位面積あたりの太陽電磁放射の量です。「太陽定数」には、可視光線だけでなく、すべての種類の太陽放射が含まれます。その平均値は、太陽活動によってわずかに変化しますが、約1,366 W/m ²であると考えられていました。^{[34]しかし、関連する衛星観測の最近の再較正では、1,361 W/m 2}に近い値がより現実的であることが示されています。^[35]

1978年以来、NASAとESAの衛星実験が重複して実施され、地球の大気圏上部で受ける太陽放射の量である総太陽放射照度^{（TSI）が1.365キロワット/平方メートル（kW/m 2}）と測定されている。^{[34] [36] [37] [38]} TSIの観測は、ACRIMSAT /ACRIM3、SOHO /VIRGO、SORCE /TIM衛星実験で継続されている。^[39]観測により、太陽磁気周期^[29]や多くのより短い周期を含む多くの時間スケールでTSIが変動することが明らかになっている。^[40] TSIは地球の気候を動かすエネルギーを供給しているため、TSI時系列データベースの継続は、気候変動における太陽変動の役割を理解する上で重要である。

2003年以来、SORCEスペクトル放射照度モニター（SIM）は、太陽放射照度（SSI）（TSIのスペクトル分布）を監視してきました。データによると、UV（紫外線）波長でのSSIは、地球の気候反応と、以前の想定よりも明確ではなく、おそらくより複雑な形で対応しており、「太陽と成層圏、対流圏、生物圏、海洋、地球の気候とのつながり」に関する新しい研究の幅広い道筋を刺激しています。^[41]

表面照明のスペクトルは、大気の影響により太陽高度に依存し、日の出と日の入りの前後の薄明かりの間は青色のスペクトル成分が優勢となり、日の出と日の入りの間は赤色のスペクトル成分が優勢となります。これらの効果は、大気によって媒介される太陽光が主な照明源である自然光写真で顕著です。

空の色は通常レイリー散乱によって決まりますが、日没時と薄暮時には例外が起こります。「地平線の長い経路におけるオゾンによる太陽光の優先吸収により、太陽が地平線に近いときに天頂の空は青くなります。」^[42]

太陽は、特定の感度範囲内で光を測る尺度である を照らすと言える。多くの動物（人間を含む）の感度範囲は約 400～700 nm であり^[43]、最適な条件では、地球の大気による吸収と散乱により、この範囲のほとんどで等エネルギー光源に近い照明が生成される。 ^[44]たとえば、人間の色覚の有効範囲は約 450～650 nm である。日没と日の出で生じる影響は別として、スペクトル構成は主に太陽光がどれだけ直接的に照らすことができるかによって変化する。照明が間接的である場合、上層大気でのレイリー散乱により青色の波長が優勢になる。下層大気の水蒸気によりさらに散乱が生じ、オゾン、塵、水粒子も特定の波長を吸収する。^{[45] [46]}

地球上のほぼすべての生命は、太陽の光によって存在しています。植物などのほとんどの独立栄養生物は、太陽光のエネルギーを二酸化炭素と水と組み合わせて、単糖を生成します。このプロセスは光合成と呼ばれます。これらの糖は、その後、構成要素として、および生物の成長を可能にするその他の合成経路として使用されます。

動物などの従属栄養生物は、独立栄養生物の産物、独立栄養生物の産物、または他の従属栄養生物を消費することによって、間接的に太陽の光を使用します。独立栄養生物によって生成された糖やその他の分子成分はその後分解され、蓄えられた太陽エネルギーが放出され、従属栄養生物に生存に必要なエネルギーを与えます。このプロセスは細胞呼吸として知られています。

先史時代、人類は植物や動物の素材を他の用途に利用することで、このプロセスをさらに拡張し始めました。たとえば、動物の皮を暖を取るために使用したり、木製の武器を狩りに使用したりしました。これらの技術により、人類は解糖系のみで可能だったよりも多くの太陽光を利用できるようになり、人口が増加し始めました。

新石器革命の時代、植物や動物の家畜化により、人類は太陽エネルギーをさらに利用しやすくなりました。作物を栽培する畑は、食用ではない植物質で豊かになり、将来の収穫のための糖分や栄養素を供給しました。以前は、殺されると肉と道具しか人間に提供しなかった動物は、今では人間が食べられない草を燃料として、生涯を通じて労働に利用されるようになりました。化石燃料は、太陽光のエネルギーを使用して形成され、その後何百万年もの間地球に閉じ込められていた古代の植物や動物質の残骸です。

日光の効果は絵画と関連があり、例えばエドゥアール・マネやクロード・モネの屋外のシーンや風景画の作品にそれが表れています。

直射日光は明るすぎて不快に感じる人が多く、実際に太陽を直接見ると長期的な視力障害を引き起こす可能性があります。^[47]日光の明るさを補うために、多くの人がサングラスをかけています。車、ヘルメット、キャップの多くには、太陽が低い角度にあるときに太陽が直接見えないようにするバイザーが付いています。壁、窓のブラインド、日よけ、シャッター、カーテン、または近くの木陰によって、建物に日光が入らないようにすることがよくあります。日光への曝露は、体内で強い骨と筋肉を作るために必要な重要な化合物であるビタミンDを皮膚で 生成するために生物学的に必要です。

ヒンズー教など世界の多くの宗教では、太陽は地球上の生命とエネルギーの源であるため、神であると考えられています。太陽は古代エジプトでも神であると考えられていました。

日光浴は、直射日光の下で座ったり横になったりする人気のレジャー活動です。日光浴は、日光が十分に当たる快適な場所でよく行われます。日光浴の一般的な場所としては、ビーチ、屋外プール、公園、庭園、歩道沿いのカフェなどがあります。日光浴をする人は通常、衣服をあまり着ない人や、裸になる人もいます。日光浴の代わりとして、紫外線を発し、天候に関係なく屋内で使用できるサンベッドを使用する人もいます。日焼けベッドは、世界の多くの国で禁止されています。

肌の色が白い人の多くにとって、日光浴の目的の 1 つは肌の色を濃くすること(日焼けすること) です。これは、一部の文化では魅力的であると考えられており、屋外での活動、休暇/休日、健康に結びついています。特定のライフスタイルの一環として、全身または均一に日焼けできるように、 裸で日光浴することを好む人もいます。

制御された太陽光療法、つまり日光浴は、乾癬やその他の病気の治療に使用されてきました。

皮膚の日焼けは、メラノサイトと呼ばれる皮膚細胞内の黒い色素の増加によって起こり、太陽や人工の太陽灯からの紫外線に十分さらされたことに対する身体の自動的な反応メカニズムです。したがって、これらの源にさらされなくなると、日焼けは時間とともに徐々に消えていきます。

日光に含まれる紫外線は、ビタミンD 3 の主な供給源であると同時に変異原性物質でもあるため、健康に良い影響と悪い影響の両方があります。[ 48 _]栄養補助食品^は、この変異原性効果なしにビタミンDを補給できますが^[49]、日光から体内で生成されるビタミンDの過剰摂取を防ぐ自然のメカニズムを回避します。ビタミンDには、骨を強化すること^[50]や、一部の癌の成長を抑制する可能性があることなど、幅広い健康効果があります。^{[51] [52]日光への曝露は、}メラトニン合成のタイミング、正常な概日リズムの維持、季節性情動障害のリスクの軽減にも関連付けられています。^[53]

長期にわたる日光曝露は、皮膚がん、皮膚の老化、免疫抑制、白内障や黄斑変性などの眼疾患の発症に関連することが知られています。^{[54]短期的な過剰曝露は、}日焼け、雪盲、日光網膜症の原因となります。

紫外線、つまり日光と太陽灯は、健康に良いことが知られている唯一の発がん性物質であり、 ^[55]多くの公衆衛生機関は、日光を浴びすぎたり、日光が少なすぎたりすることによるリスクのバランスを取る必要があると述べています。^[56]日焼けは常に避けるべきであるという一般的なコンセンサスがあります。

疫学的データによると、日光に多くさらされる人は高血圧や心血管疾患による死亡率が低いことが示されています。日光（およびその紫外線）は皮膚がんの危険因子ですが、「日光を避けることは、全体的な健康にとって利益よりもコストがかかる可能性があります」。^[57]ある研究では、喫煙、アルコール、高血圧などの他の危険因子と比較して、紫外線が寿命を縮めるという証拠はないことがわかりました。^[57]

太陽からのUV -B線量の上昇は、シロイヌナズナやタバコ（Nicotiana tabacum）植物におけるDNA 組み換えの頻度を増加させます。 ^[58]この増加は、DNA損傷の組み換え修復に重要な役割を果たす酵素の強力な誘導を伴います。したがって、地上の太陽からのUV-B放射のレベルは、植物の ゲノム安定性に影響を与える可能性があります。

• ハートマン、トム（1998年）。『古代の太陽の最後の時間』ロンドン：ホッダー＆スタウトン。ISBN 0-340-82243-0。 

• ウィキメディア・コモンズの太陽光に関連するメディア
• 太陽放射 – 地球百科事典
• 国立地球物理データセンターのウェブサイトにある全太陽放射照度（TSI）日平均データ
• 世界放射線センター、ダボス物理気象観測所 (pmod wrc) による 1978 年から現在までの複合全太陽放射照度 (TSI) 時系列の構築
• 作物モデルと意思決定支援システムに太陽放射データを提供する方法の比較、Rivington 他
• 英国の 24 か所の観測所における太陽放射の 3 つのモデル推定の評価、Rivington ら
• パリ天文台による太陽放射の高解像度スペクトル
• 太陽放射の測定: 国立科学デジタル図書館のレッスン プラン。
• Websurf 天文情報: 太陽、月、惑星の昇りと沈みの時刻、昇りと沈みの際の太陽、月、惑星の方位、特定の日付または日付範囲の太陽、月、惑星の高度と方位などを計算するオンライン ツール。
• 太陽の位置と太陽放射の時系列計算機を備えた Excel ワークブック (Greg Pelletier 著)
• 米国の地上レベル（緯度約 37 度）における太陽スペクトルの ASTM 規格。
• 「今日の天文写真」における太陽の詳細なスペクトル。