はじめに
「空が青い理由を説明してください」と言われたら、どう答えるでしょうか。
よくある説明は、
レイリー散乱によって波長の短い青い光が強く散乱されるから
というものです。
もちろんこれは正しい説明です。
ただ、僕は昔から「それだけだと少し説明が足りなくない？」と感じていました。
最近になって、自分の中でかなり腹落ちしたので整理してみます。
復習：空が青い理由
一般的には、空が青い理由は次のように説明されます。
- 太陽光は大気中で散乱される
- これはレイリー散乱と呼ばれる
- レイリー散乱は波長の短い光ほど強く散乱される
- そのため青い光が空全体に広がって見える
また、夕日が赤く見える理由は、
- 夕方は太陽光が通過する大気の距離が長くなる
- 青い光が途中で多く散乱される
- 直接届く光には赤系の波長が多く残る
と説明されます。
ずっと感じていた違和感
ただ、僕は昔から、
「青い光がよく散乱される」
という一点だけでは、空の青さと夕日の赤さを完全には説明しきれていない気がしていました。
最近になって、「直接光と散乱光のどちらを主に見ているか」が重要なのだと気づいて、かなり腑に落ちました。
僕の理解
昼間、太陽は非常に明るく、普通は直接見ることができません。
つまり、昼間に私たちが見ている「空」は、太陽そのものではなく、大気中で散乱された光が主成分です。
そしてレイリー散乱では青い光が強く散乱されるため、空が青く見える。
一方、夕方になると太陽光はかなり弱くなり、太陽そのものを直接見ることができます。
ここで重要なのは、
- 青い光は途中で優先的に散乱されて失われる
- 赤系の光は比較的そのまま残る
という点です。
つまり夕日では、「散乱された青い光」を見ているというより、
青が減った後の“直接光”を見ている
という理解の方が、僕にはかなりしっくり来ました。
さらに気になったこと
では、昼間の太陽光を安全に減光して観察したら、少し赤っぽく見えるのでしょうか。
ちゃんと観察するには、波長によらず均一に減光する必要があります。
簡単そうに聞こえますが、光学実験の際には気を使う必要があります。
カメラや光学系実験では、NDフィルター（Neutral Density Filter）という「波長によらず一定割合で減光する」素子があります。
太陽光は拾い波長域をもっているので、こういった配慮が必要になりそうです。
もし上手く十分に減光できれば、昼間の太陽光も夕日に近い色味に見えるのか、ちょっと気になります。
その他
僕は大学で物理を専攻していました。
SNSなどで「空はなぜ青いの？」という話題が出ると、物理系の人ほど、
- 「俺が塗ってるだよ」
- 「海の色が反射してるだ」
みたいなふざけた回答をしていて、逆に文系寄りの人ほど真面目にレイリー散乱を説明していたのが面白かったです。
物理をやっている人同士だと、レイリー散乱はあまりにも前提知識すぎて、わざわざ言葉にするのが野暮だったのかもしれません。
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