空はなぜ青い？夕焼けはなぜ赤い？ : サイエンスジャーナル

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イギリスの物理学者「レイリー卿（ジョン・ウイリアム・ストラット）」はさまざまな気体の密度を測定して、空気中のアルゴンを発見した功績により、1904年第4回ノーベル物理学賞を受賞した。

レイリー卿は他にさまざまな研究を残している。レイリー散乱もその一つで、光の波長よりも小さいサイズの粒子により光が散乱する性質である。太陽光が大気で散乱されて、空が青くみえるのはレイリー散乱による。

19世紀末までは、光は大気中のチリや水滴にあたって散乱していると考えられていた。ところが、光の散乱は、光の波長より小さい物体に光があたるときに発生し、空気中の窒素や酸素の分子にあたって散乱していると結論づけたのがレイリー卿であった。散乱にもいろいろ種類があるが、この空気中の分子による散乱を特に「レイリー散乱」という。

またレイリーは、散乱は光の進行方向に最も強く、直角方向でその２分の１になることも発見した。日中の太陽は真上にあるので、上向きに空を見ている人間の目には最も光の散乱が強い状態となり、昼間に「青い空が見える」ということになる。

ちなみに、光の波長と、空中に浮いている水滴やエアゾールなど粒の大きさがほとんど等しいときは、「ミー散乱」する。この場合の散乱の強さは波長と関係がなく、雲が白く見えたり、大気汚染があると空が白っぽく見えるのはこのためである。

レイリー卿は地震の表面波レイリー波も発見している。レイリー波は震源を中心に，地面の中で楕円の形の波が反時計周りで回転しながら全方向に広がっていくものである。
（参考HP　Wikipedia）

空はなぜ青い？

光には、青い光や赤い光があります。一般の光は、いくつもの光が組み合わさっているもので、それぞれの光はそれぞれの波長を持っています。この光を波長の成分で分解したものを「スペクトル」といいますが、青い光は波長が短く、赤い光は波長が長くなっています。空が青いのは、波長が短いほど「散乱」は強くなるため、青い光が赤い光よりずっと強く散乱されるからなのです。

太陽光が大気層を通過する時、波長の短い光（青色光）は散乱しますが、他の色はほとんどそのまま地上へ届きます。太陽が黄色く見えるのはこのためです。光の三原色(RGB)のうち青以外の色、すなわち緑色と赤色を加えると黄色となります。

雲はすべての光(RGB)を散乱させるから白く見えます。空気が薄い高山などでは、散乱がないから空の色は高度、つまり、大気濃度の相違で青から黒へと変化します。空気が薄い分、スカイライトは弱くなり、コントラストが高くなります。

波である光は、大気中で波長よりも小さな粒や分子などにあたるとそれらを振動させ、粒や分子が波動を“中継”するかたちで改めて同じ波長の光を周囲に放出します。この現象を、光の「散乱」といいます。

レイリー散乱では、散乱光の強度は波長の４乗に反比例します。赤い光の波長は、青い光の波長の約２倍ですから、散乱は約16倍も弱いことになるのです。

夕焼けはなぜ赤い？

夕焼けが赤いのは、太陽の位置が低い場合は、通過する大気層が長くなるため、波長の短い光は届きにくなり、波長の長い赤系統の色が届きやすくなるからです。

日中は長波長(約700nm)の赤色光などは大気中を直線的に通過し、観察者の視野には光源である太陽の見た目の大きさの範囲に収まってしまう。一方短波長(約470nm)の青色光は大気の熱的ゆらぎにより散乱するため空は青く見えます。しかし夕方になると光線の入射角が浅くなり、大気層を通過する距離が伸びます。

すると青色光は障害物に衝突する頻度が増し、かえって吸収されるなどの要因から地表に到達しにくくなるのです。代わって黄(約580nm)、橙(約610nm)、赤などの長波長光線が散乱され、太陽が沈む方向の空が赤く見えることになります。