空はなんで青いの?将来子供に聞かれたときあなたはどう答える?

物理学

こんにちは、はっこんです。

みなさん、昼間は空がなぜ青いのか知ってますか?

二日酔いで体調が悪い?違います。

気をつけて歩けと伝えたい?違います。

地球に何年もいれば昼間は空が青いのは当然のことだと思いますが、よくよく考えると不思議ですよね。

夜は空が真っ暗なのはわかります、地球に(太陽)光が当たっていませんからね。

そう考えると昼間は真っ白になるのでは?

さぁ皆さん、子供がこのように好奇心旺盛だったらどうしますか?

そもそも色とは?

そもそも色ってなんでしょう、そこから始めようと思います。

ボクたち人間は目に入った光を映像として処理しています。

例えば明るい部屋にあるりんごって赤く見えますよね、それは電球からりんごに当てられた光のうち、赤い光のみが反射し、目に入ってきているからです。

光というのは基本的には波です。
(何か言いたそうなそこのあなた、話を簡単にするため我慢してください)

波ってのはこんなのです。

じゃあこの波の何が色を決定するの?

そう、波長です。

波長が長いと赤に、短いと紫色に見えるのです。

それよりも外側の光は赤外線、紫外線といって、目には見えません。

(ちなみに振幅は光の強度(明るさ)となります)

身近な例で言うと、白色電球からは様々な波長の光が放出されます。

それらの光が混ざることにより白い光に見えるわけです。

空では何が起きている?

先ほど白色電球からは様々な色の光が放出され、それらが混ざって白色の光に見えると言いましたが、それは太陽光でも同じことです。

だとするとやはり空は真っ白になるはずですよね、

さて、空では一体何が起きているのでしょう。

光のような波には散乱という現象があります。

散乱というのは、波が波長よりも小さな粒子や分子などにあたるとそれらを振動させ、粒子や分子から同じ波長の波が周囲に放出される現象です。

そう、大気中では太陽光が窒素分子や酸素分子にあたり、この散乱という現象が起きています。

それを発見したのはイギリスの物理学者、Rayleigh(レイリー)です。

このRayleighが発見した大気中での光の散乱はRayleigh散乱と呼ばれています。

(ちなみに、光の波長よりも小さいサイズの粒子のことをRayleigh粒子と呼びます)

Rayleigh散乱は波長の短い光の方が強く散乱しやすいです。

散乱係数(散乱しやすさ)をα、光の波長をλとすると、

\alpha\propto\frac{1}{\lambda^4}

という関係があります。

要するに太陽光が地上に届くまでに青色の光が大気中の分子によって散乱されてしまうため、昼間は空が青くなるということです。

これで空はなぜ青いのか、という疑問は解決しましたね。

そうなると夕方は空が赤くなりますよね、それもこの現象で説明することができます。

夕方になると日没するので太陽光が地上に到達する距離(光路と呼びます)が長くなります。

先ほど波長の短い光の方が散乱されやすいと言いましたが、光路が長くなればどんな波長の光でも散乱されてしまいます。

太陽光が成層圏を突破すると、波長の短い光から順番に散乱されていきます。

地上に近づくほど散乱されにくい赤い光が散乱されるというわけです。

よって、夕方では空は赤く見えます。

最後に雲が白く見える理由を説明しましょう。

空が青く見える理由は太陽光がRayleigh粒子にあたって散乱しているためであると説明しましたが、雲は違います。

雲は大気中の分子ではなく、光の波長と同程度の大きさである水滴粒子によって生じます。

このように光の波長と同程度の大きさの粒子をMie(ミー)粒子と呼びます。

そしてMie粒子によって光が散乱される現象をMie散乱と呼びます。

Mie散乱はRayleigh散乱とは違って、可視光のどの波長も同じように散乱します。

要するに太陽光をそのまま散乱するということです。

よって雲は白く見えるというわけですね。

最後に

空はなんで青いの?と将来子供に聞かれたらどう答えるか、というコンセプトでこの記事を始めましたが、どうでしょうか。

上で書いてあることをそのまま説明しても子供に分かるわけないと思います。

ボクは誤魔化すのが悪いとは思いません。

子供の興味を損ねないよう誤魔化せるといいですね。

P.S. この記事たくさん図作ったけど楽しかった。

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