結論を先に記述 Ver.1.1 '21/07/25 Ver.1.0 '20/10/06 All rights reserved 中村 利和 JA3OOK 【結論】 正午より午後が気温が高いのはなぜか？ 夏至より８月が暑いのはなぜ？ 夏至より暑さは遅れてくるのか？ 子供のころからの疑問でした。物事を単純化して考察するために一日の温度変化をシミュレーションできるプログラムを作ってみて、 やっと理由がわかりました。 第一の理由は、 「太陽から受けるエネルギーがピークを過ぎてからも徐々に弱まりながらも加熱し続けるから」です。 これは、グラフ１はエネルギーが徐々に弱まる場合、グラフ２はエネルギーが突然消える場合の温度変化の違いを見比べれば 一目瞭然です。 第二の理由は、 「物質にはすぐに温まらず、すぐにさめない性質があるから」です。 すぐに温まらず、すぐにさめない性質を表す言葉は「比熱」です。「質量（≒重量）」も影響します。 １．日変化のシミュレーション でこれらの値を変えて計算すると遅れ時間が異なることを理解できます。 ２．日変化のシミュレーションの結果と考察 でアスファルトの他に幾つかの物質でシミュレーションしてあります。 第三、第四の理由として、順番はともかく、 「熱が伝わることを阻害する要因（熱抵抗）があるから」です。 「大気中の炭酸ガスなどからの放射も重なって加熱時間帯が正午より遅れるから」、 などもあると思います。 夏至を過ぎた８月ごろが一番暑い理由も同じと思います。 次のグラフは本シミュレーション結果のグラフで、上記の理由を導き出すうえで重要な特徴を持つグラフです。 ピンクが太陽からのエネルギーの変化、青色線が温度変化を示しています。 グラフ１は春分の日前後の日毎の朝から夕方までの太陽の動きを再現したもの。 太陽のピークより温度のピークが遅れることが読み取れます。 太陽が昇り始めても温度低下が３０分前後続くことが読めます。 グラフ２は春分の日前後の日に深夜零時に太陽が真南上に突然現れ動かず、正午に突然消える場合を表していて、 太陽が消えると直ぐに温度が下降し始めること、太陽が現れると直ぐに温度上昇が始まることが分かります。 （１０分の遅れは計算間隔が１０分のため） グラフ１ シミュレーション結果 太陽の動きと温度の変化（上は春分の日前後の数日、下はその中の一日を１０分毎に計算） グラフ２ シミュレーション結果 太陽が突然現れて突然消えた場合（上は春分の日前後の数日、下はその中の一日を１０分毎に計算） 両グラフともに「アスファルト」の表面温度変化のシミュレーション計算結果のグラフです。 計算に使った各種パラメーターの値は後で説明している既定値です。 ＜各種パラメーターの値は自由に設定してシミュレーションできるので試みてください＞ 【プロローグ】 検索Webで「夏至より８月が暑い理由」「夏至と暑い時期の遅れ」などで検索するといくつかの説明が見つかります。 しかし、どの説明ももっともらしい説明ではあるけれど心の底から分かった！ と言えるような説明に出会えず、 モヤモヤした気分が残りスッキリしません！ 皆さんはそれらの説明を読んでスッキリしましたか？ そして、考えるうちに「加熱を一瞬で止めてもピークが遅れてくるのかな？」との疑問も出てきました。 ⇒自分自身を納得させる説明が見つからないし、自分で説明することもできないので、自分で熱について 勉強するしかありません。ということで頑張ってシミュレーション・プログラムを作りました。 お断り：今回の目的は温度のピークが遅れるか遅れないかのシミュレーションです。 ですので、 ・問題を単純にするために、目標を一日の温度変化に定め、地上の物体の表面温度変化（気温でなく）を対象にしています。 大気の温度変化は大まかには物体の表面温度変化に近いだろうとの前提です。 ・素人でも組めた簡単な計算に留めています。 なので、温度変化の傾向を確かめるツールとしては使えても、温度や遅れ時間の正確な計算はできていません。 ブラウザーによっては動作しないかもしれません。Google Chrome、Microsoft Edge は動作しています。 ⇒シミュレーションしてみて、気温が遅れる理由を私なりに考え、到達した結果が最初に書いた【結論】です。 １．日変化のシミュレーション 次の条件を設定してプログラムを作ってあります。 以下の説明で青色は値が変更可能な項目です。 各項目の値に赤色で値を入れてありますが、色々な値に変更してシミュレーションできます。 テーブル１とともに見てください。 測定時期 ・昼夜の長さがほぼ等しい日（春分の日）前後を想定しています。 温度測定対象 ・水平の地盤の上に水平に設置した物体の上面温度の変化を計算します。同じ物体を周りにも敷きつめてあるものとします。 本来知りたいことは気温の変化ですが、物体近くの気温は物体上面温度に近いだろうという前提です。 ・対象の物体は固体とします。 液体や気体での値を入力しても、それら特有の挙動（気化熱や対流など）を扱っていないので実際とかけ離れた温度になるでしょう。 ・密度や比熱などのパラメータ値に身近な「アスファルトの値を暫定的」に入れてあります。 （アスファルトやアスファルト舗装にはたくさんの種類があるようですが、ここでは難しく考えません） 以下、パラメーターと暫定値の説明です。（赤色は別の値に適宜変更可能です） ・密度、比熱、熱伝導率 2.12g/cm3 920J/kg・K 0.74W/m・K 八光電機（株）の各種物質の性質（参考文献１）での値。 ・放射率 0.93 スペクトリス（株）omega の放射率表（参考文献２）での値。 ・厚み 0.2m。 ・面積 1m2 大抵の場合、変更の必要がない。 ・面の粗さ 1.3 表面の凸凹などによる表面積の増加に合わせる補整乗数。滑らかなら1。 次項の上面熱伝達率から算出する放熱値や熱伝導率から算出する地盤伝導放熱値にこの乗数がかけられます。 放射放熱値へは影響しません。（なぜなら放射率で反映済みとの考えから） ・上面熱伝達率 5.5 （株）キャットテックラボ 強制対流の熱伝達率の計算（参考文献３）、風速2m/sと仮定し、5.5。 ・大気温度 9℃で一定と仮定。 気象庁データ（参考文献４）つくば（館野）の３月の平均気温。 ・地盤温度 9℃で一定と仮定。 国土技術政策総合研究所 地中熱利用の実証実験（参考文献５）の図３．７が興味深い。「地下１ｍの３月中旬の地温は その旬の平均気温とほぼ同じ」とのことでつくば（館野）の３月中旬の平均気温。 ・物体の初期温度 9℃ 大気温度と仮定。 最大加熱 800W 太陽から受けるエネルギーの加熱周期内の最大値（加熱周期が24時間なら12時ごろの値）。 気象庁の「日射・赤外放射に関連するデータ」（参考文献４）を調べると、実測値の種類には３種類「直達日射量」「散乱日射量」 「下向き赤外放射量」があります。 今回は暑さの遅れのシミュレーションなので「直達日射量」だけを使用することとする。つくば（館野）の実測値は2020年3月20日春分の日の 最大値が12～13時で 3.51MJ/m2 つまり 975Wであった。そこは北緯36度なので、 水平に受けると 975W×Cos36 = 975W×0.8 = 780W。なので 800W とした。 参考に、3月20日12～13時の各観測値は 直達日射量： 3.51MJ = 975W 散乱日射量： 0.34MJ = 94W 下向き赤外放射量：0.96MJ = 267W 余談 毎日の観測お疲れ様です。 上記のようにこだわらなくても、 1000W×0.8 = 800W でも良かったのですが裏付けが取れました。 春分の日の前後で太陽から受けるエネルギーは日々変化しますが一定とします。 夜間加熱 0W 一日の変化を単純にしたいので暫定値は0。必要に応じて変更可能。 なお、夜間に受けるエネルギーの平均は約300W。（上記のつくばの3月のデータ） 感想 夜間、300Wも受けているのに冷えていく理由の一つは熱放射が363Wも（ステファンボルツマンの法則、気温10℃の場合）あるからですね！ 加熱様式 Sin 昼夜の長さがほぼ等しい頃の太陽高度（見かけの高さ）の動きを模するなら Sin。 加熱を瞬時にゼロにしたいなら Rectangle。 加熱周期 24時間 太陽の動きを再現するなら24時間が妥当。 表示間隔 表示すなわち計算間隔を指定。ふつうは 10, 15, 20, 30, 60分 で事足りるはず。 表示数 1152 計算始まりから何回分表示（計算）するかを指定。必ず 1152以下。（表示間隔×ここでの指定数がグラフ化される） 計算結果数値表を画面出力 ここにチェックを付けてから計算実行すると、 別画面に詳細な計算結果の数値が表示される。（コピーペーストすればファイルに保存できる） 計算実行ボタン 計算を始め、上グラフに計算開始からのエネルギー（最大加熱量が100%で表示）と温度の変化（＋－100℃）がグラフ化される。 拡大表示の ～ 上グラフの一部を拡大表示する機能をもっており、計算実行ボタン で自動的に拡大する範囲が計算され ここに入力される。自動計算された範囲が不満なら任意の値を入れればいい。 拡大表示ボタン 上グラフの一部（拡大表示 ～ で指定されている範囲）が拡大されて下グラフに表示され、 上グラフ内の拡大された範囲が灰色になり、下グラフに時刻メモリと右端に最高最低温度などが表示される。