自然

空はなぜ青い？光が散らばるしくみ

※この記事にはアフィリエイト広告（PR）を含みます。リンク先の楽天市場で購入されると、紹介料が入ることがあります。

太陽の光は色の混ざりもの

白く見える太陽の光には、赤から紫までの色がすべて混ざっています。プリズムに通すと帯状に分かれるのは、色ごとに波の長さ、つまり波長が違うからです。ニュートンが三角形のプリズムで白い光を虹の色に分けた実験は、この性質を示したものです。

人の目に見える光の波長は、およそ400〜700ナノメートル。1ナノメートルは100万分の1ミリです。波長の短い側に紫と青、長い側に赤があり、紫の波長は赤の6割ほどしかありません。この差が空の色を決めます。

波長が短い光ほど強く散らばる

4乗の効き方を、赤い光（700ナノメートル）を1として計算すると、次のようになります。

空のあらゆる方向から散らばった青い光が届くので、空は青く見えます。この式が当てはまるのは、ぶつかる粒が光の波長の10分の1ほどより小さい場合です。窒素や酸素の分子は、その条件を十分に満たしています。

雲が白いのは、その逆です。雲を作る水滴は光の波長よりずっと大きく、どの色もほぼ同じ強さで散らします。全部の色が混ざって届くので、白く見えるのです。

夕焼けも同じ仕組みで説明できます。太陽が地平線に近づくと、光が大気を通り抜ける距離が長くなります。その間に青い光は散らばり切ってしまい、散らばりにくい赤やオレンジの光が残って目に届きます。国立天文台が編さんする理科年表の解説も、夕日が赤いのは大気を通る距離が長いためだと説明しています。

紫の空に見えないのはなぜ？

表のとおり、いちばん強く散らばるのは紫です。4乗の法則だけで考えれば、空は紫に見えてもおかしくありません。そうならない理由は3つあります。

• 太陽の光には、もともと紫が青より少ない
• 紫の一部が、上空の大気に吸収される
• 人の目は、紫より青に強く反応する

グリニッジ天文台の解説も、目の感じやすさの差と、届く光に含まれる量の差を理由に挙げています。散らばった光そのものと、私たちが感じる色は別物です。

家で確かめる3つの方法

1つめは、牛乳で空と夕日を作る実験です。牛乳の細かい粒を、空気の分子の代わりにします。小中学校の実験教室でよく行われている方法で、日本気象学会のジュニアセッションでも中学生が発表しています。

1. 透明な容器（水槽やペットボトル）に水を入れ、水1リットルあたり牛乳5ミリリットルほどを混ぜる
2. 部屋を暗くし、容器の端から懐中電灯やスマートフォンのライトを当てる
3. 容器を横から見て、ライトに近い所と遠い所の色を比べる
4. ライトの反対側の端から、光そのものの色を見る

ライトの近くは青っぽい白、遠くへ行くほどオレンジ色になります。横から見た青っぽさが昼の空、遠くのオレンジが夕日にあたります。牛乳が多すぎると全体が白く濁るので、少しずつ足して色の変わり目を探します。

色が淡いのには理由があります。千葉大学の研究は、牛乳の粒は比較的大きく、波長に関係なく散らすミー散乱が混じると説明しています。同じ研究では、粒の小さいアクリル系のフローリングワックスの方が、夕焼けをよく再現できました。

2つめは、偏光サングラスで晴れた空を見る方法です。空気の分子に散らばった光は、振動の向きがそろっています。この「偏光」は、太陽から90度離れた輪の上で最も強く、晴れた日には80％ほどに達します。

1. よく晴れた日に偏光サングラスをかける（太陽は直接見ない）
2. 太陽を背中か真横にして、太陽から90度ほど離れた空を見る
3. 頭をゆっくり左右に傾け、空の明るさの変化を見る

角度によって、空が濃い青に沈んだり明るく戻ったりします。真っ黒にならないのは、偏光していない光も混じっているからです。ミツバチは、この空の偏光で方角を知る、という説もあります。

3つめは、空の青さを比べる観察です。18世紀のスイスの学者オラス＝ベネディクト・ド・ソシュールは、白から黒まで53段階の青を並べた「シアノメーター（青色計）」を作り、空にかざして色を測りました。1790年の論文では、標高の高いモンブランの峠ほど真上の空が濃い青で、地平線近くはどこでも淡いことが記録されています。同じことは、スマートフォンでも確かめられます。

1. 晴れた日の同じ時刻に、真上の空と地平線近くの空を撮る
2. 色の設定を変えずに、数日分を並べて比べる
3. 空気がかすんだ日と、澄んだ日で違いを見る

地平線に近い空ほど淡く、白っぽく写るはずです。ソシュールが山で記録したのと同じ傾向です。ソシュール自身は、空の色は空気中に浮かぶ粒の量で決まると考えていました。のちにフンボルトもこの道具を持って旅に出て、1802年、南米チンボラソ山の登山中に46という濃い青を記録しています。

分子が原因と分かるまで

この説明には、遠回りの歴史があります。19世紀半ばにイギリスのジョン・ティンダルは、細かい粒が浮かぶ液体に光を通すと青い光が強く散らばることを、実験で示しました。当初はティンダルもレイリー卿も、空の青は空気中のちりや水滴が散らした光だと考えていました。

1871年、レイリー卿は、十分に小さい粒なら散らばりが波長の4乗に反比例することを導きます。そして1899年、ちりがなくても、空気の分子そのもので空は青くなるという説明にたどり着きました。分子による散らばりを詳しく計算し、実験と合うことを確かめて決着をつけたのは、1911年のアインシュタインです。

光の波長や粒の大きさと、空の色の関係を図で追うなら、天気の図鑑が分かりやすいです。雲のでき方や虹、雷など、空の現象を写真とイラストでまとめて見られます。

よくある疑問

空が青いのは、海の色が映るからですか？

違います。海から遠い内陸でも、空は同じように青く見えます。むしろ海の水は、赤やオレンジの光を青より多く吸収するので、それ自体が青く見えます。空と海は、別々の理由で青いのです。

ほかの星でも空は青いのですか？

大気によって変わります。グリニッジ天文台によると、大気がほとんどない月では、昼でも空は黒く見えます。火星は大気の厚さが地球の1％にも満たず、細かいちりのせいで昼の空は黄土色です。逆に、夕方の太陽の周りは青っぽく光ります。

まとめ

空の青は、太陽の光が空気の分子に散らばった色です。青い光は赤い光の約6倍散らばりやすく、空のあらゆる方向から目に届きます。紫は目の感じ方と光の量の差で目立たず、夕方は長い道のりで青が散らばり切って赤が残ります。

原因が空気の分子だと分かるまで、ティンダルの実験から40〜50年かかりました。次の週末は、牛乳5ミリリットルと懐中電灯で、自分の机の上に小さな空と夕日を作ってみてください。

← 記事一覧へ戻る