空が青く見えるのは「レイリー散乱」が理由

私たちの目に映る青い空の色は、太陽光が大気中の小さな分子によって散乱される「レイリー散乱」という現象によって決まります。また、朝焼けや夕焼けの赤色、曇り空の灰色も、光の散乱の仕方の違いがもたらす自然の神秘です。

なぜ空は青く、夕焼けは赤いのか？ 身近な空の色の秘密

日常の風景の中で、私たちは何気なく空を見上げています。晴れた日の鮮やかな青色、朝や夕方の燃えるような赤色、そして曇りの日のどんよりとした灰色。これらの美しい、あるいは変化に富んだ空の色が、一体なぜ生まれるのか、その理由を深く考えたことはありますか？ 実は、私たちの身の回りにある「光」と「大気」が織りなす、奥深い科学の仕組みが隠されています。

空が青く見えるのは「レイリー散乱」が理由

空が青く見える最大の理由は、「レイリー散乱」という現象にあります。これは、太陽の光が地球の大気中を通過する際に起こる、光の散乱の一種です。

太陽光の性質と大気

• 白色光：太陽から地球に届く光は、実は様々な色の光が混ざり合った「白色光」です。虹が七色に見えるように、光はそれぞれ異なる波長を持っています。
• 波長の違い：目に見える光（可視光線）の中で、青や紫色の光は波長が短く、赤やオレンジ色の光は波長が長いという特徴があります。
• 地球の大気：地球を覆う大気は、主に窒素分子や酸素分子といった非常に小さな粒子で構成されています。これらの分子の大きさは、太陽光の波長よりもはるかに小さいのです。

レイリー散乱の原理

太陽光がこれらの小さな大気分子に当たると、光はあらゆる方向に散らばっていきます。この現象を「散乱」と呼びますが、特に光の波長よりもはるかに小さい粒子による散乱の場合に「レイリー散乱」が起こります。

• 青い光が強く散乱：レイリー散乱の大きな特徴は、波長の短い光（青や紫色の光）ほど強く散乱されやすいという点です。これは、波長の短い光の方が、小さな粒子に引っかかりやすいイメージです。
• 空全体が青く染まる：太陽の光が大気中を通過する際、青い光は強く散乱され、私たちの目には空全体から青い光が届くことになります。このため、私たちは空を青いと感じるのです。
• 紫ではなく青？：厳密には紫色の方が波長が短くより強く散乱されますが、私たちの目が青色に最も敏感であること、そして大気上層での紫外線の吸収などの影響で、空は青く見えるのが一般的です。

朝焼けや夕焼けが赤く見える理由

では、なぜ日の出や日没の空は、あんなにもドラマチックな赤やオレンジ色に染まるのでしょうか。これもまた、レイリー散乱が大きく関係しています。

• 大気の層を長く通過：太陽が地平線に近い位置にあるとき、太陽光は昼間よりもはるかに分厚い大気の層を通過して私たちの目に届きます。
• 青い光の消耗：長い距離を通過する間に、波長の短い青い光は、大気中で繰り返しレイリー散乱を起こし、そのほとんどが散らばり尽くしてしまいます。結果として、私たちの目にはほとんど届かなくなります。
• 赤い光が到達：一方、波長の長い赤い光やオレンジ色の光は、レイリー散乱の影響を受けにくく、比較的散乱されずに大気を通り抜けることができます。

このため、朝や夕方には、遠くまで届いた赤い光が空を染め上げ、私たちに感動的な風景を見せてくれるのです。

曇りの日の空が灰色に見えるワケ

晴れた日や夕焼けとは異なり、曇りの日の空は一様に灰色に見えることが多いですね。これも光の散乱に関わりますが、メカニズムが少し異なります。

• 水滴や氷の粒子：雲は、空気中の非常に小さな水滴や氷の結晶が集まってできています。これらの粒子の大きさは、空気分子とは異なり、太陽光の波長とほぼ同じか、それよりも大きいことが多いです。
• ミー散乱：このような比較的大きな粒子が光を散乱させる場合、「ミー散乱」という現象が起こります。レイリー散乱とは異なり、ミー散乱では光の波長による散乱の強さの違いがほとんどありません。
• 全ての光が均等に散乱：つまり、雲を構成する水滴や氷の結晶は、青い光も赤い光も、すべての色の光をほぼ均等に散乱させます。

そのため、太陽光が雲に当たると、白色光がそのままの形で散乱され、私たちの目には白っぽい光や灰色がかった光が届きます。雲が厚く、光の透過が少ないほど、より濃い灰色に見えるのです。

このように、私たちが毎日見上げる空の色は、太陽光の性質と地球の大気が持つ散乱の働きによって、多様な表情を見せています。これらの科学的な知識を知ることで、いつもの空がより一層、神秘的で興味深いものに感じられるのではないでしょうか。