空はなぜ青く、夕焼けはなぜ赤いのか？同じ「光の散乱」で起きる理由

知っておきたい雑学

昼間に見上げると空は青いのに、太陽が沈むころになると赤やオレンジに変わります。見た目だけなら、昼と夕方でまったく別の現象が起きているように感じますよね。

でも、原因はかなり共通しています。空が青いのも、夕焼けが赤いのも、太陽の光が地球の大気の中で散乱するからです。違うのは、僕らがどの方向から、どれくらい長い距離を通ってきた光を見ているかです。

この説明でよく出てくるのが「レイリー散乱」という言葉です。ただ、名前だけ覚えても「で、なんで青なの？」という疑問はあまり解けません。しかも、短い波長ほど強く散乱するなら、青より波長の短い紫のほうが目立ちそうですし、「空気が汚いほど夕焼けが赤くなる」という話も、そのまま信じてよいわけではありません。

そこで今回は、NOAA（米国海洋大気庁）の解説や英国Met Officeの大気光学の説明、さらにレイリー散乱につながる古典的な原論文まで確認しながら、青空と夕焼けを一つの仕組みとして整理します。

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空の青と夕焼けの赤は、実は同じ現象

先に全体像をつかんでおくと、話はかなり分かりやすくなります。

太陽から地球へ届く光は、僕らの目には白っぽく見えます。しかし、その中には赤、橙、黄、緑、青、紫など、さまざまな波長の光が含まれています。大気に何もなければ、その光は基本的に直進していきますが、地球の大気には窒素や酸素などの分子があります。太陽光はそれらと相互作用し、一部が別の方向へ散らされます。

ここで、すべての色が同じ強さで散らされるわけではありません。空気分子のように光の波長より十分小さなものによる散乱では、短い波長の光ほど強く散乱されます。これがレイリー散乱と呼ばれるものです。

昼間、太陽がある程度高い位置にあると、青や紫など短い波長の光は大気の中であちこちへ散らされます。僕らが太陽そのものではなく空の別の方向を見ると、そこから目に入ってくるのは、こうして散乱された光です。その中では短波長側が強いため、空は青く見えます。

夕方になると事情が少し変わります。太陽が地平線近くまで下がると、太陽光は昼間よりずっと長い距離を大気の中で進んでから僕らの目に届きます。その長い道の途中で青や紫は何度も散らされ、太陽のある方向からまっすぐ届く光の中では短波長成分が減っていきます。結果として、比較的散乱されにくい赤や橙の成分が目立ちやすくなります。

つまり、昼の青空と夕方の赤は「青くする仕組み」と「赤くする仕組み」が別々にあるわけではありません。昼は空のあちこちから届く散乱光、夕方は長い大気の道を通って太陽方向から届く光。この区別を押さえておくと、以降の話がつながります。

太陽の光は「白」なのに、どうして空に色がつくのか

そもそも太陽光が白く見えるのに、なぜ大気を通ると青や赤が現れるのでしょうか。

可視光は、一種類の光ではありません。人間の目で見える範囲だけでも、波長の長い赤から、橙、黄、緑、青、そして波長の短い紫まで連続的に広がっています。NOAAの解説では、赤い光はおよそ750ナノメートル、青や紫はおよそ400ナノメートル付近の短い波長として説明されています。ナノメートルは10億分の1メートルなので、どちらもとても小さな尺度です。

白い光は、これらの波長が組み合わさって見えている状態です。虹を見ると色が分かれているのは、水滴の中で光が屈折・反射し、波長によって進む方向に差が生まれるからです。一方、青空や夕焼けで主役になるのは、光が大気中で「散乱」される現象です。

散乱という言葉は、光が何かにぶつかって単純に跳ね返る様子を想像すると少しずれます。大気分子に入射した光の電磁場によって分子中の電荷が応答し、その結果として別方向へ電磁波が放射される、と考えるほうが物理的には正確です。ただ、この記事で大切なのは数式ではなく、大気中の小さな分子が太陽光をいろいろな方向へ振り分け、その振り分け方が波長によって違うという点です。

この違いがなければ、晴れた空は今のような青にはなりません。大気が太陽光の色を新しく作っているというより、もともと太陽光に含まれている色のうち、どの波長がどの方向へ多く送られるかを変えている、と考えると近いです。

そして重要なのは、僕らが「空そのものの色」を直接見ているわけではないことです。見ているのは、大気を通る途中で目の方向へ散らされた太陽光です。宇宙空間が黒く見えるのも、大気のように光をこちらへ散乱してくれる物質がほとんどないからです。

空が青い理由――短い波長ほど強く散らされる

空が青い理由の中心にあるのがレイリー散乱です。

19世紀、のちに第3代レイリー男爵として知られるJ. W. Struttは、空の光の色や偏光について研究しました。1871年の原論文“On the light from the sky, its polarization and colour”では、非常に小さな粒子・分子による光の散乱と空の色の関係が論じられています。

現代の大気光学では、散乱する物体が光の波長より十分小さい場合、散乱の強さは波長の4乗に反比例する形で近似されます。式で書けば、散乱の強さはおおむね 1/λ⁴ に比例します。λは波長です。

数式が出ると急に難しそうに見えますが、意味は単純です。波長が少し短くなるだけでも、散乱されやすさはかなり大きくなります。

たとえば赤い光と青い光を比べると、青は波長が短いため、大気分子によってずっと強く散乱されます。だから太陽から来た白い光が大気へ入ると、青系の光がさまざまな方向へ振り分けられます。僕らが真上や横の空を見ると、太陽から直接こちらへ一直線に来た光ではなく、その散乱光を見ているため、青が目立つわけです。

ここで「青い光は全部散乱されて、赤い光はまったく散乱されない」と考えると行きすぎです。赤や緑も散乱されます。ただ、短波長ほど散乱が強いので、空から来る光の中で青側の比率が高くなります。

また、この1/λ⁴という関係はどんな粒子にもそのまま当てはまる万能式ではありません。レイリー散乱は、散乱体が光の波長より十分小さいときに成立する近似です。空気分子にはよく当てはまりますが、ちりや水滴、煙の粒子などが大きくなってくると、別の散乱の特徴が強くなります。この違いは、後で夕焼けとエアロゾルの話をするときに効いてきます。

もう一つ、晴天でも地平線近くの空が真上より白っぽく見えることがあります。NOAAやMet Officeは、地平線方向の光は真上から来る光より長い距離を大気中で進み、何度も散乱されるため、青の鮮やかさが弱くなりやすいと説明しています。空の青さは、単に「上に大気があるかどうか」だけではなく、どの方向を見ているかでも変わるのです。

紫のほうが短いのに、なぜ空は紫ではない？

ここまでの説明をそのまま受け取ると、一つ引っかかるところがあります。

短い波長ほど強く散乱されるなら、青よりさらに波長の短い紫のほうが強く散乱されます。それなら空は青ではなく紫に見えるのではないか。かなり自然な疑問です。

実際、散乱の強さだけを比べれば紫側は強くなります。それでも人間の目に空が主に青として見えるのは、大気の散乱だけで色が決まっているわけではないからです。

Met Officeの解説では、紫は青より強く散乱されるものの、太陽光には青に比べて紫の成分が少なく、さらに人間の目は紫より青に対する感度が高いため、結果として空を青く知覚すると説明されています。NOAAも、人間の目が紫より青に敏感であることに加え、上層大気で紫側の一部が吸収されることを挙げています。

ここは「紫は吸収されるから青になる」と一つの理由だけにまとめないほうが安全です。空の見え方は、太陽からどの波長がどれだけ届いているか、大気中でどのくらい散乱・吸収されるか、そして人間の視覚がその光をどう受け取るかが重なって決まります。

色というもの自体、外界に「青」という札が貼ってあるわけではありません。光の波長分布が目に入り、視覚系の処理を通って色として経験されます。この点は、以前の記事「現実は脳が作っているのか？知覚・左脳右脳・意識研究から分かること」でも扱いました。今回の青空も、大気だけを見れば話が完結するわけではなく、「見る側」の性質が最後の色の印象に関わっています。

だから、「レイリー散乱は青を選んで散らしている」という言い方も、厳密には少し雑です。短波長ほど強く散乱され、その散乱光のスペクトルを人間が見た結果、僕らには青い空として感じられる。ここまで含めると、紫の疑問も無理なくつながります。

夕焼けが赤い理由――夕方の光は長い距離を通る

では、なぜ夕方になると同じ空が赤くなるのでしょうか。

太陽が高い位置にある昼間、太陽光は比較的短い距離で大気を通って地上へ届きます。ところが夕方、太陽が地平線近くまで下がると、光は大気を斜めに長く通らなければ僕らの目まで届きません。

この「通る距離が長い」という違いが大きいです。

光が長い距離を進む間、短い波長の青や紫は大気分子によって何度もさまざまな方向へ散らされます。すると、太陽のある方向からこちらへまっすぐ進み続ける光の中では、青や紫の割合がだんだん小さくなります。比較的散乱されにくい赤や橙の波長は残りやすいため、太陽やその周囲が赤、橙、黄色っぽく見えます。

NOAAの説明でも、太陽が低くなるほど光がより多くの大気を通り、青や紫がさらに散乱されることで、赤や黄色が目へ届きやすくなるとされています。Met Officeも同じ仕組みで日の出・日没の赤や橙を説明しています。

昼間の青空と比べると、ここで見ているものが少し違います。昼の青空では、太陽光のうち大気に散らされて横方向から入ってきた短波長の光が目立ちます。夕焼けでは、長い大気の道を通ったあとも太陽方向から残って届く長波長側の光が目立ちます。

同じ散乱なのに、一方では青が見え、もう一方では赤が見えるのは、この違いです。

なお、夕焼けの空全体が均一な赤になるわけではありません。太陽と反対側の空、頭上、雲の位置などでは、光が通ってきた経路も散乱の回数も違います。赤、橙、黄、桃色、紫が混じることもあります。夕焼けは「赤い光だけが残った単純なフィルター」ではなく、大気中で散乱された光が複雑に重なった景色です。

また、夕方の太陽そのものが赤く見えるのと、空や雲が赤く染まって見えるのも完全に同じ見え方ではありません。雲は水滴や氷晶によって光を散乱するため、そこへすでに赤みを帯びた夕方の太陽光が当たると、雲も赤や橙に照らされます。今回は主題を広げすぎないため詳しくは入りませんが、「夕焼け」という一枚の景色の中でも、複数の散乱が重なっています。

「空気が汚いほど夕焼けが赤い」は本当？

夕焼けの話をすると、「ちりや汚染物質が多いほど夕焼けは真っ赤になる」と聞くことがあります。

これは完全な間違いではありませんが、かなり単純化されています。

大気中には窒素や酸素の分子だけでなく、ほこり、煙、海塩、硫酸塩、火山灰などの微粒子や液滴があります。こうした浮遊粒子はエアロゾルと呼ばれます。エアロゾルが増えると、太陽光の散乱や吸収のされ方が変わり、日の出や日没の色も変化します。NOAA Global Monitoring Laboratoryも、空気分子による散乱と、より大きなエアロゾルによる散乱は性質が異なると説明しています。

ただ、「粒子が多い＝赤が増える」と一直線にはなりません。

NOAA/National Weather Serviceのヘイズに関する解説では、空気分子によるレイリー散乱は波長依存が強い一方、可視光の波長と同程度の大きさを持つ汚染エアロゾルなどでは、散乱の波長依存が単純ではなくなります。さまざまな大きさの粒子が混ざると、特定の色だけを強くするより、空を白っぽく、灰色がかった霞に見せる場合もあります。

つまり、空気中の粒子は夕焼けを鮮やかにすることもありますが、多すぎたり粒径の分布が違ったりすると、むしろ色の鮮やかさを弱めることもあります。火山噴火や大規模な森林火災のあとに印象的な夕焼けが観測されることはありますが、そこから「赤い夕焼けほど空気が汚れている」と逆算することはできません。

湿度も無関係ではありません。水分を吸って粒子が大きくなると光の散乱の仕方が変わり、霞っぽくなることがあります。雲の量や高さ、太陽と観測者の位置関係でも見え方は変わります。

ここは、日常の雑学としては少しややこしいところです。きれいな赤い夕焼けを見て「今日は空気が汚いんだ」と決めつけるのも、逆に「空気が澄んでいる証拠だ」と決めつけるのも難しい。色だけから大気中の粒子の状態を単純に判定することはできません。

青空と赤い夕焼けを一つの仕組みで見ると分かりやすい

最後に、色の名前ではなく「どんな経路を通った光が目に届いているか」だけに注目して整理します。

昼間の青空で目に入ってくる主役は、太陽から僕らへ直接進んできた光ではありません。太陽光が大気分子に散らされ、空のさまざまな方向から僕らの目へ入ってくる光です。その散乱は短波長ほど強いので、青側が目立ちます。

夕方は、太陽の方向から来る光が長い距離の大気を通ります。その途中で短波長側は別方向へ多く散らされるため、最後まで視線方向に残る光は赤や橙の比率が高くなります。

この二つを並べると、「青い光がある時間になったら赤い光へ変身する」わけではないことが分かります。太陽から来る光の材料は同じで、大気も基本的には同じです。変わるのは太陽の位置と光の道のり、そして僕らがどの方向からどの光を受け取るかです。

さらに「なぜ紫ではなく青か」まで考えると、空の色は大気だけの性質でもありません。太陽光のスペクトル、大気の散乱、人間の視覚が重なって、僕らが「青空」と呼ぶ見え方になります。

資料を並べてみて僕が面白いと感じたのは、空の色が大気だけで決まるわけではない点でした。太陽光の成分、大気中での散乱、見る方向、そして人間の視覚までが重なって、僕らが「青空」「夕焼け」と呼ぶ見え方になります。空を見たときに「いま、どんな道を通った光を見ているんだろう」と考えると、この身近な景色の仕組みが少し立体的に見えてきます。

参考文献・出典

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