空の色を決める光の散乱

空が青く見えるのは、太陽光のうち波長の短い青い光が大気中の分子によって強く散乱される「レイリー散乱」が原因であり、夕焼けが赤いのは青い光が散乱され尽くし赤い光が残るため、また雲が白いのは光が均等に散乱される「ミー散乱」によるものです。

なぜ空は青いのか？ – レイリー散乱の不思議

「空はなぜ青いのだろう？」この素朴な疑問は、子供の頃に一度は抱いたことがあるかもしれません。毎日見上げる空の美しい青色は、実は地球の大気と太陽の光が織りなす壮大な物理現象によって生み出されています。今回は、この空の青さの秘密、特に「レイリー散乱」という現象に焦点を当てて、そのメカニズムを紐解いていきましょう。

空の色を決める光の散乱

私たちが普段見ている太陽の光は、一見すると白く見えますが、実際には様々な色の光が混ざり合ってできています。虹が七色に見えるように、光は波長によって異なる色を持っています。これらの光が大気中を進むとき、空気中の小さな分子（窒素分子や酸素分子など）に衝突し、あらゆる方向に散らばります。この現象を「光の散乱」と呼びます。

レイリー散乱とは何か？

光の散乱にはいくつかの種類がありますが、空の青さを説明する上で最も重要なのが「レイリー散乱」です。レイリー散乱とは、光の波長よりもはるかに小さな粒子（この場合は空気中の分子）によって光が散乱される現象を指します。この散乱には、非常に重要な特徴があります。

• 波長依存性: レイリー散乱では、波長の短い光ほど強く散乱され、波長の長い光ほど弱く散乱されます。
• 太陽光に含まれる色のうち、紫や青は波長が短く、緑、黄、橙、赤へと波長は長くなります。
• そのため、紫や青の光は、赤い光よりも約10倍も強く散乱されるのです。

昼間の空が青い理由

太陽の光が地球の大気圏に差し込むと、その中の短い波長の青い光（そして紫の光も）が空気中の分子によって強く散乱されます。この散乱された青い光が私たちの目に届くため、空は青く見えるのです。

• 太陽から直接届く光には、全ての色の光が含まれていますが、様々な方向に散乱された青い光が空全体からやってくるため、空は全体的に青く輝いて見えます。
• 紫の光も強く散乱されますが、人間の目の感度は青い光に対しての方が高いため、空は青く感じられます。

夕焼けや朝焼けが赤い理由

では、なぜ夕方や朝の空は赤く染まるのでしょうか？これもレイリー散乱で説明できます。

• 光の経路の変化: 夕方や朝は、太陽が地平線に近い位置にあります。そのため、太陽光は昼間よりもはるかに厚い大気の層を通過して私たちの目に届きます。
• 青い光の減衰: 厚い大気の層を通過する間に、短い波長の青い光はほとんど散乱され尽くしてしまい、私たちの目には届かなくなります。
• 残された赤い光: 青い光が失われた後、散乱されにくい長い波長の光（橙色や赤色の光）が残ります。この残った光が私たちの目に届くため、夕焼けや朝焼けは赤く見えるのです。

雲はなぜ白いのか？

空の青さとは対照的に、雲は通常、白く見えます。これはなぜでしょうか？
雲は、空気中の水蒸気が凝結してできた非常に小さな水滴や氷の粒で構成されています。これらの水滴や氷の粒は、空気中の分子に比べてはるかに大きく、太陽光の様々な波長に対して同じように光を散乱させます。この現象を「ミー散乱」と呼びます。

• ミー散乱: ミー散乱では、光の波長によらず、すべての色の光がほぼ均等に散乱されます。
• 白色の理由: すべての色の光が均等に散乱されるため、それらの光が混ざり合って私たちの目に届くと、白色として認識されます。これが雲が白く見える理由です。

私たちが何気なく見上げる空の青さ、そして夕焼けの赤さ、さらに雲の白さまで、これらの美しい自然現象の裏には、光の波長と大気中の粒子の大きさによって異なる「光の散乱」という物理法則が深く関わっています。日々の風景の中に隠された科学の不思議を知ることで、世界はより一層魅力的に見えてくるのではないでしょうか。