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空の色はなぜ青く夕焼けが赤いのはなぜ? 光の散乱で解説!

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空の色はなぜ変わる

 
普段の生活で外出する旅に空を眺める人はどのくらい多いでしょうか?もしお子さんがいる家庭でしたら、子供は必ずと言っていいほど「空ってなんで青いの?」と聞くのではないでしょうか?

もちろんお子さんに限らず、誰もが疑問に思うことでしょう。ただし改めて質問されるとハッキリ明確に答えられる人は少ないと思います。

空の色がなぜ青いのか?また夕方になるとなぜ赤く見えるのかは学校の理科の授業でも習います。これには光の散乱が関係していますが、具体的にどう関係しているのか、今回はより詳しく、そしてわかりやすく解説したいと思います。




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太陽の光はどんな光?

2017年の夏至はいつ

 
空の色に関して説明する前にまず太陽の光について解説します。

太陽の光とは物理学上で定義すると白色光に分類されます。この白色光とは様々な波長の可視光線を含んでいる光のことです。この光が物質に当たって反射することで、目でその物質を見ることができます。

ここで反射した光ですが、全ての物質が全て同じように光を反射するわけではありません。白色光には様々な波長の可視光線が含まれていますが、実は物質によって反射する可視光線は違います。反射した可視光線の波長によってその物質の見える色が変わってきます。

光の色と波長の関係

光の色と波長の関係

 
上の画像は光の色と波長の関係を表した図です。波長が短いほど色は濃い紫になって、長いほど赤くなります。

例えば紫色に見える物質は、波長400nmほどの可視光線のみを反射し、緑に見える物質は500nmほどの可視光線のみを反射しているということです。こうして反射された可視光線によってその物質の見える色が決まるということです。

白い物質はどうなるかというと、これは全ての光の反射しているということです。すべての光ということは全ての波長を含む可視光線が混ざり合っているので、これは白色光そのものになります。太陽も間近で見れば恐らく白色に見えるのでしょう。

逆に黒い物質の方では全ての光が吸収されています。どの波長の可視光線も反射されないので、人間の目にはその物質の色を認識できません。故に黒(無色)になるということです。




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空の色の変化は光のレイリー散乱が関係!

ここまでの説明で物質の色がどういった原理で見えるのかがわかったと思います。

さて肝心の空の色がなぜ青く見えるのかについてですが、1の項目で紹介した画像と理由で考えますと、青く見えるということはすなわち430~490nmの波長が反射されて人間の目に届いているということになります。

しかし、ちょっと待ってください!

反射するにしても、空には反射される物質がありません、あるのは大気だけです。

これだと白色光のまま人間の目に届くんじゃないの?と思いがちですが、実は空気の散乱は何も普通の物質だけでなく、微小な粒子でも起こるのです。

光の波長よりも小さい粒子で起こる散乱のことを特にレイリー散乱と言います、このレイリー散乱を引き起こしているのが地球の大気の主成分である窒素や酸素になります。

レイリー散乱に関してはWikipediaにも掲載されていて数式で説明されていますが、非常に難しいのでここでは省略して超簡単に説明します。

このレイリー散乱は、光の波長の4乗に反比例するという法則があります。わかりやすく言うと波長が短ければレイリー散乱を引き起こしやすいということです。具体的には赤い光よりも青い光の方が8倍以上も散乱されやすくなるそうです。

空の色が青くなる時間帯は午前と午後、太陽の高度がほぼ真上に来た時に観測されます。

日中の太陽光

日中の太陽光

この時地上にいる人から見れば太陽からの光が地上に降り注ぐときには、ちょうど青色の光が散乱されているのです。この現象は地上から20kmまでの高度で起きています、青色より波長の短い紫色の光はそれよりさらに上空で散乱されるので、地上にいる人から見れば紫色に見えることはまずありません。(飛行機に乗った時や高い山に登って山頂から空を見れば若干紫色っぽく見えます。)

 

日の出・日没時で赤く見えるのは?

では日の出・日没時に空が赤く見えるのはなぜでしょう?

これも当然レイリー散乱が関係していますが、昼の時間帯と違って太陽の光は高度的に低い位置を長い距離を通って地上に降り注ぎます。つまり太陽が地上に降り注ぐまでの距離や時間が長くなるのです。

この長くなった分だけ光の散乱量も増えてきます。下の画像で説明すると、青い光は観測者の元に届く前に全て散乱され、緑や黄色といった光も散乱し尽してしまい、残った赤い光だけが観測者のもとに届くのです。

日の出・日没時の太陽光

日の出・日没時の太陽光

 

おまけ:太陽から緑色の光が見える?

以上の説明で日中の空の色が青くなり、日の出・日没時の空の色が赤くなる理由は理解できたと思います。

しかしごく稀にですが、緑色に太陽が光る現象も目撃されています。太陽の光は白色光なのでありえなくもない話ですが、緑色の光というのはちょっと想像がつきにくいですよね。

 
この現象はグリーンフラッシュと呼ばれるものですが、本当に希少な現象です。You Tubeに動画があったのでぜひご覧ください!一瞬ですが太陽が緑色に光るのがわかると思います。

このような現象が見られるのは非常に空気が澄んだ条件のみで、場所も高い山や離島、さらに地平線や水平線が見られる場所に限定されます。ハワイやグアムで何度か目撃例がありますが、日本国内だと沖縄県石垣島、東京都の小笠原諸島あたりでないと見られないそうです。一度でいいから生で観測したいですね♪

 

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