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光のレイリー散乱って何? 空の色が変わる理由と関係していた!

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普段の生活で外出する時に空を見上げる人は多いと思いますが、子供の頃から「何で空は青いんだろうと?」とか「何で夕焼けは赤くなるのか?」疑問に思って親に質問したり、自分が親になったら子供から逆に質問されるという経験もあると思います。

実は子どもからだけではなく、就活面接の時に質問として出てくるパターンもあるみたいです。面接官から突然「空の色は何で青いかわかりますか?」と聞かれたらどう答えますか?恐らく大半の人はしどろもどろになってうまく答えられないと思います。

その答えは結論から言えば光のレイリー散乱という現象が関係しています。これだけ言っても何のことやらわからないという人は多いと思うので、今回は空の色と太陽光との関係について徹底的に解説していきます、就活生はぜひ参考にしてください!

 

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光のレイリー散乱とは?

まずは光のレイリー散乱とは何なのかについて詳しく解説していきます。

レイリー散乱というのはわかりやすく言えば光の波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱のことです。

この現象の名前の由来はイギリスの物理学者ジョン・ウィリアム・ストラット、別名第3代レイリー男爵からとっています。

 

【レイリー散乱の理論とは?】
レイリー散乱というのは単なる現象名だけでなく、散乱光の強度が波長の4乗に反比例するという法則も説明されています。これに関してはWikipediaで難しい理論が細かく書かれていますが、難しい数式が書かれているのでここでは省略します。

 

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レイリー散乱と空の色の関係

空の色を決定するのはレイリー散乱という現象ですが、この時散乱される光は太陽光となります。

一般に人間の目に見える光・電磁波を可視光線と言いますが、この可視光線の波長より短くなっても長くなっても人の目には見ることは出来ません。可視光線の波長ごとに見える色は以下のようになります。

可視光線と波長

上の画像を見てもらえると分かるように、赤い色ほど波長が長く、紫色ほど波長が短いということになります。よく言われる赤外線と言うのは赤い色の光よりも波長が長い電磁波で、紫外線と言うのは紫色の光よりも波長が短い電磁波のことになります。

太陽から届く光というのは言うまでもなく可視光線ですが、いろいろな色の光が混ざっている白色光という形になっています。宇宙空間から直接太陽を見てみると白く輝いているのがわかります。

 
ここで再びレイリー散乱の定義についておさらいしますと、光の波長が大きければ大きいほど散乱光の強度は弱くなるということでした。しかも4乗ということなので、光の波長が2倍になれば16倍も強度が弱くなるのです。

逆に考えれば波長が短ければ短いほど散乱光の強度が強くなるということです。

 
太陽光が地上に届くまでに地球の大気の微粒子と衝突して散乱されますが、この内波長の短い可視光線ほど強度が大きくなるので地上にいる人間の目に見えやすいということになります。

上の画像でも説明しましたが、青色・紫色ほど波長が短いので他の色の光よりもずっと強く散乱されます、これが空の色が青く見える理由です。一番波長が短いのは紫色ですが、人間の目は紫色を感じにくいのでより鮮明に見えるのは青だということになります。

 

朝方と夕焼けは赤いのはなぜ?

ここまでの説明で空の色が青く見える理由は、青い色の光ほど強く散乱されやすいためだということでした。

しかし朝方と夕方の空は赤く見えます、これは何故でしょうか?

 
これに関しては太陽光が通過する大気層の距離に関係しています。

昼間の時間帯は太陽光が地上にいる人間からしたらほぼ真上にいるような状態です、それに対して早朝や夕方と言うのは東、もしくは西の空に太陽が輝いています。

これを図で表すと以下のようになります。

見てわかる通り、太陽光が地上まで届く距離は朝方と夕方の方が昼間より長くなることがわかります。この長くなった距離が重要で、昼間のように青い光が地上に行き届くまでに散乱し尽くしてしまい、残った赤やオレンジの色の光が強調されて地上に届くという結果になります。

 

おまけ:雲の色が白く見える理由は?

空の色が青く夕焼けが赤いのはレイリー散乱が関係していると説明しましたが、雲の色が白く見えるのはなぜだかわかりますか?

これもレイリー散乱でしょ?と思いたくなりますが、実は違います。

雲の色が白いのはミー散乱と言う現象が関係しています、こちらの方はかなりマニアックで知っている方は本当に少ないと思います。

ミー散乱って何?レイリー散乱とどう違うの?

ミー散乱と言うのはレイリー散乱とは逆で、光の波長よりも長い物質中で起きる散乱のことです。

レイリー散乱は大気中の光の波長よりも小さい微粒子で起きますが、ミー散乱は雲を形成する水蒸気など光の波長よりも大きい物質で起きます。散乱強度が弱く、全ての色の波長が等しく散乱されます。

結果として全ての色が混ざり合うので雲が白く見えるということになります。

 
もしかしたら就活面接で空の色だけでなく「雲の色が白く見えるのはどうしてだかわかりますか?」なんていう突っ込んだ質問もされるかもしれませんが、「空の色と同じでレイリー散乱が関係しています!」という答えだと間違えだということになります、注意しましょう。

もっともそこまで詳しい面接官はいないかもしれませんが(;’∀’)

 

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九州出身の雑学&ゲーム好きのアカギです。生活に転がる様々な雑学や政治、宇宙、ソシャゲ、パソコン、勉強関連のネタを中心に記事を書いています。趣味は旅行とチェス、その他レトロゲームのコレクションをこよなく愛します。

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