ママ、パパ、どうして空は青いの？

執筆者 marketing | 7月 25, 2024 | Blogs, 科学と教育 | コメント0件

前書き。

なぜ空は青いのか？親をいつも困らせる子供の質問の典型だ。しかし、もしあなたの子供がそれを尋ねたら、あなたは答えられるだろうか？この記事では、空の色のエキスパートになるために必要なポイントに切り込む。

空が青いのはなぜか？
地球には大気がある
なぜ宇宙から見ると空が青いのか？
なぜ赤い光や緑の光は空で散乱しないのか？
空はいつも青いのか？夕日が赤やオレンジに見える理由
なぜ、赤や緑よりも短い青の波長の方が散乱するのか？

図1 なぜ空は青いのか？

空が青いのはなぜか？

その答えは、青い光が大気中でどのように散乱するかにある。つまり、日中の空が青く見えるのは、太陽光の青い波長が他の色よりも大気によって効率よく散乱されるためである。

長い答えを理解するためには、いくつかのことを知っておく必要がある。第一に、太陽光には虹のすべての色（赤、青、緑など）が含まれている。

図2 私たちは目に直接当たる光しか見ていない。

太陽は球体なので、その光は四方八方に広がる。しかし、私たちは目に直接当たる光しか見ていない。違う方向に飛んでいく他の光は見えない。そして、もうひとつ知っておかなければならないことがあり、それは次に説明する。

地球には大気がある

地球の大気には酸素や窒素などの粒子が含まれている。太陽から飛来する青色光はこれらの粒子に衝突し、四方八方に散乱する。

図3 青色光は大気中の粒子に当たって散乱する。

散乱された青い光の一部は私たちの目に届き、それが空を青く見せている。実際には、何十億、何百億という青い光のフォトンが空で散乱し、それが空全体を青くしているのだ。

図4 何十億もの散乱した青い光が空を青く見せている。

大気がなければ、空は一日中いつでも暗く見える。

大気がなければ光の散乱はなく、太陽が頭上にあっても空は暗く見える。月面着陸の写真を見たことがあるだろうか。大気圏がなく、空に光が散乱しないため、空は常に暗いのだ。

図5 大気がないということは、散乱がなく空が暗いということ。

なぜ宇宙から見ると空が青いのか？

宇宙から見ると、宇宙飛行士は青空に囲まれているようには見えない。これは、太陽光を四方八方に散乱させるのに十分な空気分子が存在しない、地球の大気圏の高密度部分の外側にあるためだ。この散乱がないと、太陽が明るく輝いていても空が黒く見える。

しかし、だからといって地球そのものが青くないわけではない。宇宙から見ると、この惑星は海の反射と地球の大気圏内、特に惑星の湾曲した縁に沿った太陽光の散乱の組み合わせにより、まだ青く見える。

この違いは重要な概念を浮き彫りにしている。青い空は観測者が大気圏内にいることを必要とするが、青い地球は太陽光が地球全体と相互作用するため、遠くからでも見ることができる。

なぜ赤い光や緑の光は空で散乱しないのか？

青色光子と緑色／赤色光の主な違いは波長である。青色の波長は、緑色や赤色の波長よりも短いため、大気中の粒子に当たったときに散乱しやすい。

図6 赤→緑→青と波長が短くなる。

赤と緑の光子は散乱するが、青の光子に比べると散乱は少ない。太陽からの赤と緑の光子のほとんどは、太陽から離れる方向に一直線に進み、私たちの目に届くことはない。

空はいつも青いのか？夕日が赤やオレンジに見える理由

これも大気と関係があるのだが、少し難しい。地球の周りの大気の厚さは均一です。しかし、太陽に対する位置によって、光が通過する大気の厚さが変わります。これを理解するには、状況を視覚的に見る必要がある。

図7 地平線が赤いのは、日没時に光がより多くの大気を通過する必要があるため。

正午の太陽からの光は、大気を一定の厚さで横切る。しかし、夜明けの太陽は空の低い位置にあり、太陽と大気の相対的な角度のため、より厚い大気を横断しなければならない。

図8 光は正午よりも日没の方がより多くの大気を通過する。

距離が離れると角度が広がるため、青い光子が我々から散乱する時間が長くなる。このため、赤と緑の光がほとんど透けて見える。緑と赤が組み合わさると、夕焼けのオレンジ色の輝きになる。赤と緑はあまり散乱しないことを覚えておこう。

図9 青い光の多くは私たちに届く前に散乱され、赤や緑のオレンジ色の光に包まれる。

なぜ、赤や緑よりも短い青の波長の方が散乱するのか？

私たちはこの散乱現象をレイリー効果と呼んでいますが、これは19世紀にこの現象について書いたレイリー卿（別名ジョン・ウィリアム・ストラット）にちなんで名付けられました。彼は散乱と光の波長の関係を図10の式で説明しました。基本的に、ラムダ（λ）は波長であり、シグマ（σ）は散乱量と考えることができる。

図10 – 波長に対する散乱の逆比例を説明するレイリー方程式。

ラムダ（λ）または波長が短くなると、シグマ値（σ）は大きくなります。したがって、波長(λ)が短ければ短いほど、例えば青であればシグマ値や散乱効果は大きくなり、緑であれば小さくなり、赤であればさらに小さくなります。これはスペクトル図11で見ることができる。

図11 – この正午の空のスペクトルは、図10の逆比例の式に従って、青が緑よりも散乱し、赤（遠赤を除く）よりも散乱することを示している。

レイリー効果はその振る舞いを説明したが、理由は説明しなかった。光子の波長に対する散乱量の理由には、光と粒子間の量子相互作用が関係している。

これはずっと後になって、A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov, and A. A. Lisyansky (2020). この出版物は、素粒子、電子の状態、粒子のもつれについて、この記事の範囲をはるかに超えて深く掘り下げている（出版物については巻末のクレジットを参照）。

図12-夕暮れ時のスペクトル-水平線より上に赤と緑の光が多い。

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概要

空が青い理由はそれほど難しくない。太陽の光は虹のすべての色を含んでいる。青い色は大気中の粒子（酸素や窒素など）にぶつかるため、空中であらゆる方向に散乱する。その散らばった青い色の一部が私たちの目に届き、空を青く見せている。他の色（赤、緑など）は波長が長いため、あまり散乱しない。

だから空は青い。

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詳しくはこちら – 光とは何か、そして光はどこから来るのか？

図13-パパもママも科学者になれる！

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参考文献

XXXIV. 懸濁状態の小粒子を含む大気を通過する光の透過と空の青の起源について｜ウィリアム・ジョン・ストラット、別名レイリー卿｜1899年｜https://zenodo.org/records/1431249
原子レイリー散乱の量子論｜A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov, and A. A. Lisyansky｜ October 2020. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501id=446591。