レイリー散乱

日中の空は青く、日の出や日の入り時の空は赤く見えるのはなぜでしょうか？

太陽光は白色の光です。白色光は、〈青〉〈緑〉〈黄〉〈赤〉などの様々な色の光が重なってできています。光は電磁波と呼ばれる波の一種で、青い光の波長は約450nm（ナノメートル：10億分の１メートル）、赤い光の波長は約750nmです。

普通、光はなにかに衝突などをすると、いろいろな方向へ進路変更させられます。この現象を光の散乱と呼びます。特に、光の波長の１／10より大きさが小さい粒子による散乱を、レイリー散乱と呼びます。地球の大気（空気）の主成分である、窒素や酸素の分子がこの小さい粒子というわけです。

レイリー散乱がなされやすい現象は光の波長の４乗に反比例します。赤い光と比べると、青い光は約８倍以上も散乱されやすいのです。

ここで本題の空の色について考えましょう。

日中、太陽光はほぼ真上からやってきます。すると、❸⒜のように

本来は観測者Ｂへ届くはずだった太陽光のうち、青系の光の一部が散乱によって斜めの方向から観測者Ａに届きます。そのためＡには散乱された光が届いた方向の空が青く見えるのです。

大気は、地表に近いほどの密度が高く、90％以上が地上から20㎞以下にあります。空を青く見せている散乱は案外低い高度で起こっているのです。

一方、日の出や日没の時間帯では、太陽光は高度の低い（空気の密度の高い）ところを長い距離を通ってＡにまでたどりつきます。この過程で、青系の光は日中よりもさらに多く散乱されるのはもちろん、緑や黄の光の一部も散乱されやすくなります。そのため、❸⒝のようにＡに太陽から直接届く光（朝日や夕日）には、赤色が極めて多く残るのです。

【出典】『眠れなくなるほど面白い 図解 物理の話』
著者：長澤光晴　　日本文芸社刊

執筆者プロフィール
1967年生まれ。東京理科大学理工学部物理学科卒業。北海道大学大学院理学研究科物理学専攻博士課程修了。東京電機大学工学部基礎教育センター・工学部環境化学科准教授、フランス国立極低温研究所（CRTBT）客員研究員（2001年）を経て、現在は東京電機大学工学部自然科学系列・工学研究科物質工学専攻教授。博士（理学）。日本物理学会所属。著書に『面白いほどよくわかる物理』（日本文芸社）がある。