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青空はなぜ青い?夕日はなぜ赤い?虹はなぜ七色なのか?

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晴れた日ならば、空を見上げれば空の青、夕方には夕日の赤が目に入ります。雨上がりには美しい虹が見られることもあります。見慣れたこれらの風景も「なぜ空が青く」、「夕日が赤く」、「虹が七色」に見えるのかを考えると、何だか不思議ですね。以下に紹介します。

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虹はなぜ七色なのか?

太陽の光は白色(無色)で、通常は色は見えません。しかし、プリズムを使って太陽の光を分解してみると、虹と同様な多くの色の光が含まれていることは確認できます。「光の混色の原理」によれば、ある色の光とそれとは別の色の光を混ぜると白色になる組み合わせがあります。例えば「赤と緑」や「青と黄」の光を混ぜると白色(無色)になることが知られています(この組み合わせを「補色の関係」と言います)。つまり、虹に含まれている赤、橙、黄、緑、青、藍、紫などのそれぞれの色が、補色の関係にある色と混ぜることで白色(無色)になっています。それが、プリズムによって色ごとに分解すると色が見えるようになるわけです。

虹は雨上がりに見えることがあります。それは空気中に浮かんでいる水滴がプリズムのような役割を果たし、太陽光を分解するためです。したがって、太陽、空気中に浮かぶ水滴、観察者の位置関係によって虹が見えるか否かが決まります。また虹が美しいアーチを描くのも、水滴が丸いことに起因しています。

虹は、一般に「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」の七色と表現されます。実際に虹を観察してみれば、紫から赤までの色の連続的なグラデーションとなっており、七色の色鉛筆で色を並べたような不連続な色の並びにはなっていないことがわかります。つまり、日本人に馴染みのある「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」の七色に割り当てただけであり、色の数としては七色ではなくずっと多くの色があります。そしてこの紫から赤までの色は、可視光域(目で見ることのできる光の領域)のもっとも短波長から長波長の色の並び対応しています。ちなみに可視光域よりも短波長域には紫外線(UV)があり、可視光域よりも長波長域には赤外線(IR)があります。紫外線と赤外線は、可視光域の外にあるので目では見えません。

青空はなぜ青い?

晴れた日の太陽が高い位置にある時は、空が青く見えます。これは太陽からの光の内、主に青の光が散乱するためです。太陽が高い位置にある時は、太陽からの光が大気中を通過する距離が比較的短く、太陽はおおよそ白く、非常に眩しく見えます(*目によくありませんので、直接肉眼で太陽を見るのは止めましょう)。青く見えるのは、太陽がある方向ではなく、太陽から少し離れた方向で、雲が無ければ通常は天頂方向がもっとも青が色濃く見えるでしょう。

太陽と地球の関係を考えれば、空を明るくする光はすべて太陽から降り注いでいる事が分かります。したがって、空が青く見えるのは、太陽から直進して自分の目に入って来る光ではなく、太陽から自分以外の方向に進んで行った光が散乱し、方向を変えて自分の方へ進んできたものです。水面に石を落とすと、波紋が同心円状に広がって行きます。光の散乱という現象もこれと同様なもので、光が何か小さなものにぶつかると、そこを起点に全方位に光が散っていきます。

晴れた日の空では、大気中の酸素、窒素、二酸化炭素などの分子に光がぶつかって散乱します。これらの分子1個による光の散乱は非常に微弱で、通常目の前にある空気の分子によって散乱された光に気がつくことはありません。しかし、地球の大気圏の厚さは地表から概ね500 kmあり、ここを太陽光が通過する時のトータルの散乱された光の量は、空が青く見える程度の光量があります。

前述ように太陽からの光には、「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」のいろいろな色の光が含まれているにもかかわらず、なぜ空が青く見えるのか?それは分子などの小さなもので光が散乱される場合、短波長の青などの光は、長波長の赤などの光の何倍も強く散乱されるためです。

ちなみに雲は、水滴や小さな氷の粒からできています。これらの粒の大きさは0.003mm~0.01mmで、分子1個の大きさに比べると1万倍以上の大きさになります。水滴や氷の粒程度の大きさになると、「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」のすべての色が強く散乱されるようになります。その結果、雲は白く見えるわけです。厚い雲の太陽と反対側の部分が暗く見えるのは、光が強く散乱されて、太陽が遮られ、通過できる太陽光の光量が著しく減るためです。


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夕日はなぜ赤い?

夕日を観測する時は、太陽が地平線付近の低い位置にあります。太陽と地球の位置関係、地球の形状と取り囲んでいる大気を考えれば、太陽が高い位置にある時に比べて、太陽からの光が大気中をかなり長い距離通過して目に入ってくることが分かります。前述の分子による光の散乱では短波長の光ほど散乱されやすいという性質から、「赤、橙、黄、緑、青、藍、紫」の光の紫に近い側の色ほどたくさん散乱されて自分の所まで届かず、長波長側の赤に近い色の光ほど散乱されにくくて目に入って来ることが分かります。その結果、夕日が赤く(*厳密には赤というよりは橙から黄)見えることになります。朝日についても同じ仕組みで夕日と同じように見えます。

まとめ

青空、夕日、虹などは、自然が見せてくれる美しいショーです。仕組みを理解すると、スケールの大きさを感じますね。

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