なぜ空は青く、夕焼けは赤いのか？光と大気のふしぎな関係

空が青く見えるのは、太陽光が地球の大気中の分子にぶつかり、青い光が特に強く散乱される「レイリー散乱」という現象が主な原因です。また、夕焼けが赤く染まるのは、光が大気中を長く進む間に青い光が散乱し尽くされ、赤い光が残るためです。

私たちが毎日見上げる空の色。当たり前のように「青い」と認識していますが、なぜ空は青く見えるのでしょうか？そして、朝や夕方にはなぜ赤やオレンジ色に染まるのでしょうか？この美しい現象の裏には、科学的な理由が隠されています。

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、光が大気中の小さな粒子や分子によって散乱される際に起こります。具体的には、以下の点が重要です。

太陽光の構成：太陽の光は、私たちが虹で見ることができるように、様々な色の光（赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫）が混じり合ってできています。それぞれの色は異なる「波長」を持っています。
大気中の分子：地球の大気は、主に窒素分子（約78%）と酸素分子（約21%）で構成されています。これらの分子は光の波長よりもはるかに小さいです。
散乱の特性：光がこれらの小さな分子にぶつかると、光はあらゆる方向に散らばります。このとき、波長の短い光（青や紫）ほど強く散乱され、波長の長い光（赤やオレンジ）は散乱されにくいという特性があります。
青い光の優勢：太陽光が地球に到達すると、波長の短い青い光は大気中の窒素や酸素分子によって非常に強く散乱されます。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。紫色の光も強く散乱されますが、人間の目は青い光をより強く感じるため、空は青色として認識されます。

つまり、空の青さは、私たちの頭上や周囲で常に起こっている、光と大気の相互作用によって生み出されているのです。

では、なぜ日の出や日の入りの時間帯には、空が赤やオレンジ色に染まるのでしょうか。これもレイリー散乱と深く関係しています。

太陽が低い位置にある朝焼けや夕焼けの時間帯には、太陽光は私たちに届くまでに、日中よりもはるかに長い距離を大気中を通過しなければなりません。この長い道のりの間に、何が起こるのでしょうか。

青い光の散乱：光が長い距離を通過するにつれて、波長の短い青い光はほとんどすべて散乱され尽くされてしまいます。まるで、青い絵の具が塗り広げられ、薄くなっていくようなイメージです。
赤い光の到達：一方、波長の長い赤い光やオレンジ色の光は、散乱されにくいため、長い距離を通過しても私たちの目に届きやすくなります。
色の変化：結果として、日中は空全体に散乱していた青い光が減少し、残った赤やオレンジ色の光が空に広がるため、空が赤く染まって見えるのです。大気中に塵や水蒸気が多いと、さらに光の散乱が複雑になり、より鮮やかな夕焼けや朝焼けを見ることができます。

もし、あなたが地球の大気圏を越えて宇宙に行けば、空は真っ暗に見えるでしょう。宇宙には、太陽光を散乱させるような大気中の分子がほとんど存在しないため、レイリー散乱が起こりません。

宇宙飛行士が宇宙ステーションから見る景色は、太陽の光が直接当たっている星や惑星は明るく輝きますが、それ以外の空間は漆黒の闇です。これは、私たちの身近な現象である「空の色」が、いかに地球の大気に依存しているかを教えてくれます。

普段何気なく見ている空の色には、地球の大気と太陽の光が織りなす、驚くべき科学のドラマが隠されています。次に空を見上げたときには、その色の秘密に思いを馳せてみてはいかがでしょうか。