どうして空は青いの？「レイリー散乱」を理系学生ライターがわかりやすく解説

ライター／通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

光の散乱とは？

まず、レイリー散乱について詳しく学ぶ前に、散乱という現象について理解を深めておきましょう。物理学において、電子や中性子のような粒子が、そのほかの粒子に衝突または接近した場合に、進行方向が変わる現象を散乱といいます。光の散乱の場合、ある光が物質に入射した際、その物質を中心として全方向に光が放出されますよ。

光の散乱が生じる理由は次のように説明できます。光が物質に入射するという現象は、光子が物質に衝突すると考えることができますよね。このとき、物質を構成する分子や原子は振動するのです。分子や原子は、荷電粒子である陽子や電子から構成されています。そのため、分子や原子の振動に伴い、物質から電磁波が放出されますよ。この電磁波が、散乱した光の正体なのです。

また、光の散乱と光の乱反射を混同してしまう場合があるので注意が必要ですよ。光の散乱は、物質の内部で生じる分子や粒子の振動によって引き起こされます。一方、乱反射は物体の表面の小さな凹凸により、光が多方面へと反射される現象です。

レイリー散乱について学ぼう！

レイリー散乱とは？

image by Study-Z編集部

レイリー散乱は、光の散乱の1つで、ある粒子に入射する光の波長が粒子径よりも十分に大きいときに生じます。この粒子の大きさと波長の大小を比較するために、粒子径パラメータαがよく用いられますよ。粒子径パラメータはα=2πr/λと表されます。このとき、πは円周率、rは粒子の半径、λは光の波長です。αが1未満であれば、レイリー散乱が観察できます。人間の目に見える光である可視光の領域では、空気を構成する酸素や窒素の分子に入射した場合に、レイリー散乱が生じますよ。

また、レイリー散乱では、粒子から見て光が入射した側とその反対側から放出される光の強度はほぼ等しいとされています。つまり、レイリー散乱では、全方向にまんべんなく光が放出されていることになりますよね。このような散乱を等方散乱といいます。そして、レイリー散乱にはもう一つの特性がありますよ。それは、散乱の前後で光の波長が変化しないということです。このような散乱のことを弾性散乱といいます。

レイリー散乱と波長の関係

image by Study-Z編集部

ここでは、レイリー散乱による散乱光の強度と入射光の波長の関係について考えてみましょう。レイリー散乱光の強度Iは、I=(π⁴d⁶/8R²)(n²－1/n²+1)(1+cos²θ)( I₀/λ⁴)で与えられることが知られています。ここで、πは円周率、dは粒子の直径、Rは粒子からの距離、nは屈折率、θは散乱角、I₀は入射光の強度、λは入射光の波長です。

定点で散乱光を観察するとき、d、R、n、θは定数とみなすことができます。ゆえに、定点観測の場合、レイリー散乱光の強度Iは比例定数Sを用いてI=S( I₀/λ⁴)と表すことができますよね。I=S( I₀/λ⁴)という式から、レイリー散乱光の強度は、入射光の波長の4乗に反比例することがわかります。つまり、波長が短いほど、レイリー散乱が生じやすくなるということですね。

レイリー散乱によっておこる身近な現象

青い空

image by PIXTA / 41230901

良く晴れた日に空を見上げると、綺麗な青空が目に入ってきます。ですが、よく考えてみてください。地表面にいる私たちから見て、空の方向に存在しているものは大気だけです。大気の主成分は、酸素や窒素であり、これらは無色の気体ですよね。では、なぜ空は青く見えるのでしょうか？実は、空が青く見る理由は、レイリー散乱を用いて説明することができますよ。

太陽光には、赤外線、可視光線、紫外線といった様々な波長成分をもった光が混ざっています。可視光線の波長について考えると、赤、橙、黄、緑、青、紫の順で波長が短くなっていきますよね。ここで、先ほど学んだことを思い出してみましょう。レイリー散乱光の強度は、入射光の波長の4乗に反比例するということです。

このことから、青味のある色は赤味のある色よりもレイリー散乱が生じやすいことがわかります。そのため、地球にやってくる太陽の光が大気を通過するとき、青味のある色がレイリー散乱によって広がりますよ。レイリー散乱によって散乱された光が、他の粒子に入射し、もう一度レイリー散乱されるということを繰り返すのです。このような現象が生じることで、晴れた日には一面に広がる青空を見ることができるのですね。

夕焼け

image by PIXTA / 63662061

先ほど、なぜ晴れた日の空が青く見えるのかを考えました。次に考えるのは、なぜ夕焼けは赤く染まってみえるのかということです。この現象は、日中と夕方では太陽光の光路長が異なるということから説明することができますよ。

昼間の太陽の位置を考えてみてください。昼の間、太陽は私たちの頭の上にあり、太陽光は地面に対して垂直に近い角度で入射します。これは、太陽光が大気に対しても垂直に近い角度で入射していることを意味しますよね。一方、夕方の場合はどのようになるでしょうか。日が沈む前、太陽は低い位置に見えます。このとき、太陽光は地面に対して平行に近い角度で入射しますよね。そして、太陽光は大気に対しても平行に近い角度で入射しますよ。

以上のことから、日中よりも夕方のほうが、太陽光が大気を通過する時間が長くなることがわかります。そのため、夕方のほうが、レイリー散乱の生じる回数が多くなるのです。レイリー散乱を何度も繰り返すと、光は減衰してしまいます。日が沈む前、レイリー散乱しやすい青味のある色は減衰し、人間の目には届かないのです。

一方、波長が長い赤味のある色はレイリー散乱が生じにくいので、夕方であっても私たちの目に届きます。これが、夕焼けが赤く見えるメカニズムなのです。