青空、頭上は暗く、地平線近くは明るい、そして日の出や日没で赤くなる太陽の組み合わせは、すべて科学的に説明することができます。
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好奇心旺盛な子どもが自然界について尋ねる最初の質問の1つに、「なぜ空は青いのか」というものがよくあります。 海を映すから、酸素は青い気体だから、太陽の光は青みがかった色をしているから、などなど、この質問がいかに広く浸透しているかにもかかわらず、多くの誤解や間違った答えが飛び交う一方で、正しい答えは徹底的に見落とされがちです。 実は、空が青いのは、太陽光がさまざまな波長の光でできていること、地球の大気がさまざまな波長の光を散乱する分子でできていること、そして私たちの目の感度の3つの単純な要因によるものなのです。 この3つが揃えば、青空が見えるのは必然なのです。
太陽からは、目に見えないさまざまな波長の光が放射されています。 大気は、それぞれの波長に異なる影響を与え、その結果、私たちが観察できるさまざまな光学現象が生まれます。 太陽の光球は約6000Kと非常に高温で、最もエネルギーの高い紫外線から可視光線、紫から赤、そして赤外線まで、幅広いスペクトルの光を放射しているのです。 最もエネルギーの高い光は最も波長の短い（周波数の高い）光であり、エネルギーの低い光はエネルギーの高い光よりも波長が長い（周波数の低い）光である。 プリズムが太陽光を個々の成分に分割するのを見たとき、光がまったく分割されないのは、赤い光の方が青い光よりも波長が長いからです。
プリズムによって分散される連続光線の模式図アニメーション。 もしあなたが紫外線…と赤外線の目を持っていたら、紫外線は紫・青の光よりもさらに曲がり、赤外線は赤の光よりも曲がらないことがわかるでしょう」
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異なる波長の光が物質との相互作用によって異なる応答をするという事実は、日常生活の中で非常に重要で有用であることが証明されています。 電子レンジの大きな穴は、波長の短い可視光の出入りはできますが、波長の長いマイクロ波光は反射して取り込みます。 サングラスの薄いコーティングは、紫外線、紫色、青色の光を反射し、波長の長い緑色、黄色、オレンジ色、赤色を透過させる。 また、大気を構成する窒素、酸素、水、二酸化炭素、アルゴン原子などの目に見えない小さな粒子は、あらゆる波長の光を散乱しますが、波長の短い光はより効果的に散乱します。
Karsten Kettermann /
これらの分子はすべて光の波長よりもはるかに小さいので、光の波長が短いほどよく散乱されます。 実際、定量的にはレイリー散乱と呼ばれる法則に従っており、人間の視覚の短波長限界の紫色の光は、長波長限界の赤色の光の9倍以上の頻度で散乱することを教えてくれる。 散乱強度は波長の4乗に反比例する(I ∝ λ-4)。 地球の大気の昼側では太陽光はどこにでも降り注ぎますが、赤い波長の光が散乱して目に入る確率は、紫色の光の11%にすぎません。
ここに示すようなオパール光沢材料には、大気と同様のレイリー散乱特性を持つものがあります。 この石を右上から白色光で照らすと、石自体が青色光を散乱させ、オレンジ色や赤色の光を優先的に透過させます。
optick / flickr
太陽が高い位置にあるとき、空全体が青く見えるのはこのためです。 太陽から遠ざかるほど青く見えるのは、その方向に見える大気の量が多い（つまり青い光が多い）ためです。 どの方向を見ても、自分の目から宇宙空間までの大気全体に太陽光が当たり、散乱した光が見えるのです。
日の出前や日没後の非常に高い位置の空からは、さまざまな色のスペクトルが見えます。
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太陽が地平線下にある場合、光はすべて大量の大気を通過する必要があります。 青い光は四方八方に散乱し、赤い光は散乱する可能性がはるかに低く、つまり目に届くことになるのです。
2010年5月の日没時に、国際宇宙ステーションから見た地球の大気。
NASA / ISS
宇宙からの眺めは、描写だけでなく、宇宙飛行士が返してきた画像からも、さらに素晴らしいものです。
通過する大量の大気により、太陽（あるいは月）からの光は、地平線に近いところでは…ものすごく赤みが増します。 太陽から遠く離れると、空は徐々に青くなります。
Max Pixel / FreeGreatPicture.com
日の出/日の入り、または月の出/月の入りの間、太陽（または月）から来る光自体は、膨大な量の大気を通過しなければならず、それが地平線に近いほど、光が通過しなければならない大気はより多くなります。 青い光は四方八方に散乱されますが、赤い光はあまり散乱されません。 つまり、太陽（または月）の円盤からの光そのものが赤くなるだけでなく、太陽や月の周辺からの光（私たちの目に届くまでに一度だけ大気にぶつかって散乱する光）も、そのとき優先的に赤くなるのです。
Rob Kerr/AFP/Getty Images
そして皆既日食の間、月の影があなたの上に落ち、あなたの近くの大気の大部分に直接日光が当たるのを防ぐと、地平線は赤くなりますが、他の場所は変わりません。 皆既食帯の外側で大気に当たった光は四方八方に散乱するので、ほとんどの場所で空は青く見えるのです。 しかし、地平線の近くでは、あらゆる方向に散乱された光が目に届く前に再び散乱される可能性が非常に高いのです。
レイリー散乱は赤よりも青の光に深刻な影響を与えますが、可視波長の中では…紫色の光が最も多く散乱されるのです。
Dragons flight / KES47 of Wikimedia Commons
では、もう1つ疑問があると思います。 確かに、大気から来る光は青色よりも紫色のほうが多いのですが、他の色も混ざっています。 目には3種類の錐体（色を感知する）と単色の杆体があるので、色を決めるときには4つの信号を脳で解釈する必要があるのです」
人間の目の光反応を、3種類の錐体と（破線で）正規化したもの。…線）単色の杆体。
George Wald / Hektoen International Journal
それぞれのタイプの錐体と杆体は、異なる波長の光に敏感ですが、すべてのタイプが空によってある程度刺激されるのです。 私たちの目は、青、シアン、緑の波長の光に、紫よりも強く反応します。
大気中の気体の引力は、かなりの面圧を引き起こし、液体の海を生じさせます。 画像引用元：.
NASA Goddard Space Flight Center Image by Reto Stöckli, Terra Satellite / MODIS instrument
その3つの組み合わせが一緒になっているのだそうです。
- 太陽光はさまざまな波長の光でできていること、
- 大気中の粒子は非常に小さく、波長の短い光は波長の長い光よりもはるかに効率よく散乱すること、
- そして人間の目がさまざまな色に対して反応を示すこと、
この3つが組み合わさって、人間が空を青く見せているのです。 もし、紫外線を効率よく見ることができれば、空はもっと紫や紫外線に見えるはずです。もし、犬のように2種類の錐体しか持っていなければ、日中の青空は見えても、夕焼けの赤やオレンジ、黄色は見えないはずです。 しかし、騙されないでください。宇宙から地球を見ると、地球も青いですが、大気は関係ありません！
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