なぜ空は青く、夕焼けは赤いのか・・・体験して学ぶ光の科学

はじめに

お空の星はあかるいあかり、そらのあかりだよ！

皆既月食の月が赤く見えること、夕焼けが美しいのはどうしてか。そして、空が青いのはどうしてか。

実はこれ、全部レイリー散乱っていう一つの現象で説明できるんだ。

うん、最近皆既月食の記事でお話ししたばかりだよね。でも、時間がなくてざっくりとした説明になっちゃった。もしまだ見てない方は以下の記事もぜひ！

今日は、この不思議な現象をみんなに肌で感じてもらうために、わかりやすい（といいなと思っている）シミュレーターを用意してみたよ！

まず、シミュレータのリンクを示すね！

レイリー散乱シミュレータ

まず、レイリー散乱って何だろう？これは、光が空気の中にある、とっても小さなつぶ（酸素や窒素の分子など）にぶつかったときに、あっちこっちに跳ね返されてしまう現象のことなんだ。

そして、ここが一番大事なポイント！この跳ね返る強さが、光の色によって全然違うんだ。

まず考えないといけないこと。太陽の光って、いろいろな色の光が混じっている。グラフをしめそう。以下の「Visible」とかかれている部分が可視光領域で、横軸の波長が短い（値が小さい）方から紫 藍 青 緑 黄 橙 赤の色の光の強度に該当する。

この様々な色がまじるとわたしたちの目には「白い光」として認識される。さて、次にかんがえるのがレイリー散乱の特徴。

レイリー散乱強度の式はちょっと難しくみえるかもしれないけど、以下の通り。

$$
I(\theta) = I_0 \frac{8\pi^4 \alpha^2}{\lambda^4 R^2} (1 + \cos^2\theta)
$$

ここで、
$${I(\theta)}$$: 散乱角$${\theta}$$における散乱光の強度
$${I_0}$$: 入射光の強度
$${\pi}$$: 円周率
$${\alpha}$$: 散乱粒子の分極率
$${\lambda}$$: 入射光の波長
$${R}$$: 散乱粒子から観測者までの距離
$${\theta}$$: 散乱角

式の一番大事なところは$${\lambda^4}$$の部分だよ。これが分母にあるっていうことは、波長が短いほどよく散乱されるということをあらわしている。もっと簡単にいうと・・・

• 赤い色の光は散乱されにくく、大気中をほぼまっすぐ進んでいく

• 青い色の光は散乱されやすく、大気中を進む間に散らばってしまう

と、いうこと。

よし！さっそく、シミュレーターで見てみよう。以下は粒子数を2000にしてスタートを押してしばらくした状態だよ。みんなは自分のPCのスペックに合わせて粒子数は適宜調整してほしいけど・・・最近の普通のPCなら5000でもわりと余裕かもしんない。

さっきグラフで見たみたいに、太陽光はいろいろな色の光をふくんでいる。ここで入射してくる各色の粒は太陽から放出された光の色に対応しているよ。
レイリー散乱の特徴どおり、赤い粒は直進しやすく、青い粒は散らされやすいということがわかると思う。

つぎ。シミュレータの青空観測ボタンを押してみよう！

地面に置いてある半円状のものは「観測ドーム」で、表示されている扇型のものは「視野」を表しているよ。言ってみればみんなが空を見上げているような状態。
しばらくすると観測ドームの色が変化していくと思う。これは、みんなの目に入った光の色を平均したもの。しばらく観測していると大体空色になっていくのがわかるかな？

次は夕焼け観察モードをぽちっとしちゃってほしい。もう説明しなくてもわかるかな？

地平線付近にある太陽から放たれた光がみんなにむかってまさにとんできているところ。実際に何色になるかは、シミュレータを動かしてみんなの目で確かめて欲しい！

おわりに

お空がこんなに青いのに、夕日があんなに赤いのに、だいきらいだ！白い雲なんて〜！！・・・と昭和の青春ドラマに出てきそうなセリフ（歌詞だっけ？）だけど、お空が青い理由と夕日が赤い理由はわかったかな？

ち・な・み・に・・・雲が白い理由はミー散乱という別の光の散乱現象があるからなんだけど・・・それはまたの講釈！

今回のソフトはゲーム性はゼロだったけど、ぜひいろんな角度に観測ドームを向けて見て、夕焼けどきの空のいろいろな角度の色なんかを体験して見てね！

今回の記事がみんなの科学への興味に繋がればうれしいな！

それじゃ、また次回の記事であおうね〜！あいおだい〜ん！！