なぜ空は青くて、雲は白いのでしょうか。空が青いレイリー散乱と、雲が白いミー散乱を調べてわかりやすくまとめてみました(簡単な数学あり)。
彼曰く、
「空が青いのはレイリー散乱、雲が白いのはミー散乱」
引用：アルドノア・ゼロ/Olympus Knights/Aniplex・Project AZ – 第6話より
これはアルドノアゼロというSFアニメで6話Aパート終わりに主人公が発したセリフです。
空はなぜ青いのでしょうか？
今回はそんな疑問を自分なりに調べてみました。
間違ってたらゴメンね。
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まずは空が青い理由、これは「レイリー散乱」と呼ばれる現象。
大気にある粒子に光が衝突すると「散乱」と言う現象が起こります。
その中でも光の波長よりも小さな粒子に衝突し拡散する現象のことを「レイリー散乱」といいます。
ちなみに光と言っても色んな成分がありますが、我々が目で見て感じられる可視光を考えてもらったらいいです。
何故青いか？
太陽から降り注ぐ光は散乱しますが、短波長の方(つまり青)が拡散しやすい性質があります。
細かいことは置いておくと青は赤の16倍拡散します。
その結果として私たちの目に入る前に空と言う空に青色成分が拡散し青く見えるのです。
ちなみに空を見上げると深い青から薄い青というようにグラデーションが掛かっていますよね。
こんな感じ。
それは何故かというと拡散の強度が光の入ってくる方向と、その成す角度に関連があるからなんです。
強度を求める式は下記のようになっています。
I0：入射光の強度
α：分極率
λ：波長
R：粒子の半径
θ：散乱角
この数式を少し簡略化し、カッコより前の係数部分を定数1として取り扱い、
とし、さらに横軸θだと視覚的に分かりにくいので極座標変換を実施するとこうなります。
このように入射光の方向(太陽の方向)とその反対方向に対する拡散強度が最大となり、その90度方向は1/2となります。
よって太陽方向は薄い青、太陽から90度方向は濃い青となるんですね。
最初は空気で霞んでいるだけだと思っていましたが、こんな理由があったんですね。
でも多分空気で霞んでいるのも間違ってないようには思いますが…。（多分後で出てくるミー散乱も関係していると思われる）
先ほどの式を見てください。
λの4乗が見えるでしょうか。
可視光成分の最長である赤の波長は～750nm、最短の青(紫)は380nm～となっています。
余計な係数は考慮せずに定数kとし、波長λのみに着目して赤がλ、青が半分の1/2λとすると青の拡散強度は、
この通り拡散強度は16倍異なるというわけですね。
夕焼け、つまり太陽光は限りなく地平線から入射するということ。
水色の部分は大気層だと思ってください。
昼の場合は真上から太陽光が差し込みますので間の大気層が薄いです。よって拡散されると言っても青空が広がるだけ。
でも夕方は事情が違います。
夕方は地平面から差し込む、つまり図の通り長い大気層を通る必要があります。
私たちの目に届く前に拡散されすぎてもう青色に近い成分が残っていない。よって残った赤色成分が目に届き夕焼けは赤く見えるのです。ちなみに朝焼けも同じ理由。
大阪では2019/6/17にストロベリームーンが見られたそうです。ストロベリームーンとはストロベリーのように月が赤く見える現象のことですが、これもレイリー散乱です。
月には太陽光が反射してますよね。
その月が夕方に水平線・地平線近くにある時、その反射光が夕焼けの現象とおなじく長距離大気層を進むことが原因ですね。
適切な図ではないかもしれませんがこんな感じ。
レイリー散乱が起こる意外な場所としてブルーマウンテンズ国立公園があげられます。
ここはユーカリの原生林なんですが、ユーカリから揮発する油が青の波長を散乱させて全体が青に見えるらしいです（見えるかな…？）。
先ほどのレイリー散乱が、光の波長より小さな粒子に衝突したときに発生するのに対し、ミー散乱は光の波長と同程度の大きさの粒子に衝突したときに発生します。
またレイリー散乱では短波長成分が拡散しやすいのに対し、こちらはどの波長も同じくらい拡散します。
同じくらい拡散するということはそれはほとんど白色光ということ。光は重ねると白くなる、と言うことは中学生くらいの頃勉強しましたよね。
身近なところで例をあげるとするとたばこですね。
たばこの先から出る煙(副流煙)は微粒子でレイリー散乱をおこし、口から出す煙(呼出煙)は水蒸気を含みミー散乱します。
大気汚染で白くかすんで見えるのもミー散乱…らしい。大気汚染といえば、今となっては久しく聞かなくりましたが私が子供の頃は光化学スモッグ注意報なんかも出ることがありました。
ちなみにこのような雲の間から差し込む光の光線がよく見えるのもミー散乱の一種であるチンダル現象で、薄明光線、天使の梯子と呼ばれているらしいです。
このような自然現象があってこそ、わたしたちの地球には青空が広がっていることが分かりました。
ちなみにカメラを利用している人、偏光フィルタを使ってる方いらっしゃると思いますが、もろに関係があります。
それっぽく説明してみましたが、実際の現象を数学的に説くのは私には無理…。
現象としては何となく理解はできますが「青空と夕焼けの境目ってどこ？」「青空の濃さってどうやって決まるの？」って言われても定量的に説明できない…。
誰かもっとわかりやすい教科書を作っておくれ。
興味を持った人は大学で勉強してみてください。
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