空が青いのはどうして?

太陽の光の中の青い光が散乱しているから

私たちが色を見分けることができるのは、その色の光が眼に届くためです。たとえば赤いリンゴからは主に赤い光が、緑の植物からは主に緑の光が眼に届いています。ですから、空が青く見えるということは、空にある“何か”から「主に青い光が届いている」ということになります。でも、空にあるのはほとんど空気だけですし、空気は透明で色がついているようには見えません。それなのに青い光が届くのは、空にある空気の粒が起こしている「散乱」という現象のためなのです。

霧や煙などに懐中電灯の光を当てると、光の道すじを見ることができますよね。このように、光の通るところにホコリや水滴のような小さな粒がたくさん浮かんでいると、光の方向が乱れてあちこちに向かって散らばります。これが散乱です。このとき、光の通り道に浮かんでいるのがホコリや水滴ではなく、もっとずっと小さな粒…つまり空気の分子(正しくは揺れ動いている空気分子)のようなものだと、「レイリー散乱」と呼ばれる特別な散乱が起きます。レイリー散乱では、赤い光にくらべて青い光の方ががはるかに強く影響を受けるので、青い光が散乱して散らばり、赤い光はまっすぐ通り抜けていくことになります。

一方、太陽の光にはさまざまな色がふくまれています(プリズムなどで虹の色に分けられるのがその証拠です)。私たちが空を見上げたときに眼にはいるのは、四方八方に広がっていく太陽の光のうち、空気中でレイリー散乱を起こした青い光なのです。なお、散乱せずにまっすぐ通り抜けた光は、青い成分が減って赤くなっています。より長い距離を通ってたくさんの青を失った残りの赤い光が見えるのが、夕焼けや朝焼けです。

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太陽が空の高いところ(ま上ちかく)にあるときは、
大気の中の空気分子で散乱した青い光が空から目に届くので空が青く見える。

太陽が低い位置(地平線の近く)にあるときに届く光は、
青の光の成分が散乱で減っているため、赤っぽく見える。

山村 紳一郎 (サイエンスライター)

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