どうして空は青いの?夕焼けはなぜ赤いの?レイリー散乱とは

2018年9月9日身の回りの科学

良く晴れた日に空を見上げると清々しいくらいの青空が広がっています。

この青空はいったいどこまで続いているんだろう。

そんな気持ちになりますよね。
 
一方、その先に広がる宇宙のイメージはどうでしょうか?

空の向こうに広がっている宇宙空間は真っ暗です。

では、なぜ空は真っ黒ではなく青いのでしょうか?

疑問に思いませんか?

そして日が暮れ始めた時、空は違った色に姿を変え始めます。

空はどんどん赤くなっていくではないですか。

綺麗な夕日は私たちに夜の訪れを告げてくれているようです。

夕日を見た時、今日も一日が終わるなというような気分になるはずです。

夜型人間はよっしゃ!これからだと思うかもしれませんが(笑)

なぜ、日が暮れてくると段々空は赤くなるのでしょうか?

今回はこの二つを解説していきたいと思います。

1.太陽の光

太陽の光の私たちのイメージは、恐らく白や透明ではないでしょうか?

確かに太陽の光は白や透明で間違いはないのですが、その中にはたくさんの色が隠されているのです。

以前、色は波長によって変わるという説明をしました。

詳しくは⇩

なぜ絵具を混ぜると黒っぽくなるのか?視覚混合とは

太陽からは長いものから短いものまで、たくさんの波長をもつ光が地球に降り注いでいます。

つまり、たくさんの色を持つ光が降り注いでいるのです。

このように様々な波長もしくは色が混ざることで、太陽の光は白もしくは透明に見えています。

そのことは簡単に証明することができます。

虹を見たことがありますか?

水滴によって光が屈折することで、私たちは沢山の色を持つ虹を見ることができるのです。

これは波長によって屈折率が異なるため、起きている現象です。

また、私たちはこの光の波長をすべて色として認識できているわけではありません。

色として認識できる光の波長の範囲を『可視光線』とよんでいます。

可視光線の範囲内では波長が短いものから順に、 

となっています。

つまり赤色の方が長い波長を持ちます。

また、可視光線から外れる光にも名前が付けられています。

紫よりも短い波長は紫外線。

赤よりも長い波長を赤外線と呼んでいるのです。

このように太陽の光には様々な波長の光、つまり様々な色が含まれているということを頭に入れて下さい。

では、このことを踏まえ、いよいよ空はなぜ青くなるのかを考えていきましょう。

2.どうして空は青いの?

では、なぜ空が青いかを考えていきます。

大気中には目に見えないチリやほこりなどの細かい粒子がたくさん存在しています。

波長の短い光、つまり紫や青の光は、このチリやほこりに当たって散乱してしまうのです。

細かい粒子にぶつかった光が、屈折して四方八方に散乱するんですね!

この散乱は『レイリー散乱』と呼ばれています。

空の上で青や紫色の光が散乱しているので地上からみた私たちは空は青いと見えるのです。

ただ空は青といってもとても澄んだ青をしていますよね?

これは散乱される光には緑色も含んでいるので、青と緑が混ざることで水色のようなきれいな青空を見ることができているというわけです。

また、長い波長の光が、チリやほこりに当たらないというわけではありません。

短い波長の光の方が長い波長の光に比べて、チリやほこりなどの細かい粒子に当たる確率が高いというだけです。

青い光は赤い光に比べ、高確率で細かい粒子に当たってしまうということですね。

空が青いのは太陽から来る青い光が、チリやほこりなどの細かい粒子にぶつかることで、レイリー散乱しているからなんです!

では、夕焼けはなぜ赤く見えるのでしょうか?

3.夕焼けはなんで赤いの?

日が落ちていくということは、太陽からの距離はどんどん遠くなるということです。

太陽から私たちまでの距離が遠くなってしまうと、最初の方に散乱した青い光はほとんど届かなくなってしまします。

また、今度は赤い光も散乱し始めるのです。

波長の長い光はチリやほこりなどの細かい粒子に当たらないのではなく、当たる確率が低いだけであると先ほど説明いたしました。

しかし、距離が長くなればなるほど、赤い光も細かい粒子に当たるようになってしまいます。

つまり、私たちにたどり着く時に赤い光も散乱しているんですね!

この二つの要素によって夕焼けは赤く見えます。

イメージとしては下の図のようになります。

4.さいごに

夜になれば太陽の光が届かないので、もちろん空は黒くなります。

黒い空で輝く星を見ていると本当に壮大な宇宙を感じることができますよね。

また、夜の空をみていると太陽のありがたみを改めて感じさせられます。

太陽と大気のチリやほこりのおかげで私たちは美しい青空と、幻想的な夕焼けを見ることができていたんですね!

空のことをもっと知りたい方にお勧めの本です⇩

【科学選書 Vol. 8】世界でいちばん素敵な雲の教室 感想・レビュー 荒木健太郎