空の色。光の散乱

質問

ご覧いただきありがとうございます。
昼間の空の色が青いのは光の散乱が起き、波長が短い色が届きやすいためである。また、夕焼けが赤い色なのは短波長の光の散乱が早く起き、後に起こる長波長の色の散乱が起きるため。と知りました。

ここで疑問なのですが、光の散乱をくらべると短波長のそれが早く起こるのは何故ですか。大気の層や密度が関連しているのでしょうか。

回答No.13

htms42

＃８です。
＃９に示されているサイトを見てみました。
こんなサイトがあるのですね。
質問者様はこの内容をどう思われましたか。
「なるほど、こういうことか」と思われたのであれば、今までの回答（＃１から＃８）は結局無駄であったということになります。散乱と乱反射の区別ができていないのです。
でもある意味でこれは仕方がないことかもしれません。
光の進む方向がいろんな方向に変わるということだけで見ればどちらも「散乱」だと言うことができるからです。だから日常的には乱反射も散乱と言っていることが多いです。「散乱」という言葉はそろっているものがバラバラになるという意味で使われています。でも「レイリー散乱」と言っているときの「散乱」は「乱反射」ではありません。「散乱」と「乱反射」は異なる現象だとして使い分けられているのです。「散乱」には日常的に使われている「広い意味での散乱」と「レイリー散乱」で使われているような「狭い意味での散乱」とがあることになります。

荒っぽくまとめてみます。
・光の進行方向が不規則に変わる現象を散乱という。・・・広い意味での散乱（日常での使い方）
・その中には乱反射による散乱とそうでないような散乱（・・・狭い意味での散乱（波動光学での使い方））とがある。この２つの違いは粒子のサイズと波長との関係で決まる。
・光の波長よりも大きなサイズの粒子による散乱は乱反射であるとみても構わない。
　光の波長よりも小さいサイズの粒子は光を反射することができないので散乱が起こるとすれば乱反射ではない。（反射は反射面で起こります。乱反射は反射面が不規則に分布することで起こる現象です。反射面が存在する必要があります。雪が白く見えるのは乱反射です。入道雲が白く光って見えるのも乱反射です。でも入道雲の背景に見える澄み切った青空には反射面を持つような粒子は存在していません。青く見えるのは反射によるものではありません。）

光の波長は０．４～０．６μｍです（＃８に０．４～０．５μｍと書いてしまいました。訂正します）。乱反射とみなしても構わないだろうというのは粒子のサイズが１μｍ以上の場合です。０．１μｍ以下のサイズであればレイリー散乱です。中間領域はミー散乱になります。ミー散乱と乱反射は領域が重なってくると区別ができないようです。
参考　wikipediaの「ミー散乱」の中に
＞粒子のサイズが非常に大きくなると、ミー散乱と幾何光学の二つの手法による計算結果が類似するようになる。

と書かれています。この「幾何光学の手法」で考えた散乱というのが乱反射に対応します。
回折散乱という言葉も出てきています。これも幾何光学的な散乱ではありません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9F%E3%83%BC%E6%95%A3%E4%B9%B1

清浄な大気中にサイズが１μｍ以上の固体物質が浮遊しているということはありません。
このサイズの浮遊物質があるというのはかなり汚れた空気です。
大気汚染のニュースでよくＰＭ２．５という言葉が出てきます。ＰＭ２．５というのは２．５μｍというサイズの浮遊物質を指標にしたものです。質量に直して１０μｇ／ｍ^3以下というのが環境基準になります。この数字はこれを超えると健康障害が起こることが顕著になるだろうというものですからきれいであるかどうかとは別の基準です。

＞日本などの、発生地からある程度離れた地域に飛来する黄砂の粒子の大きさは、0.5 µm – 5 µm くらいであり、粒径分布では 4 µm にピークがみられる。これはタバコの煙の粒子の直径 (0.2 – 0.5 µm) より大きく、人間の赤血球の直径 (6 – 8 µm) よりやや小さいくらいである
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%84%E7%A0%82

１μｍのサイズの粒子というのがどういうものであるかのイメージがとれたでしょうか。

光学顕微鏡で見ることができる物体の大きさの限界もこの付近にあります。光の波長よりも小さい物体は見ることができないとイメージしておけばいいです。

分子のサイズは１０^-10ｍぐらいです。これは光の波長に比べるとかなり小さいです。１／１０００以下です。これだけ小さい粒子であっても光に影響が出てくるというのがレイリー散乱です。
弱い効果ですから散乱粒子がたくさんないとわかりません。背景に色のついたものがあると途中の空気に色がついているということもわかりません。１０ｋｍの厚みの大気圏の外側は暗闇なので大気が着色して見えるのです。

空の青にしても海の水の青にしても日常的に誰でも見ることができるものです。でもそうだからと言って日常の言葉だけで説明できる現象であるとは言えません。波長という言葉は単に色の違いを表しているものではありません。光が波であるということを表している言葉でもあります。幾何光学と波動光学の違いがわかっている必要があります。幾何光学を使うことのできる範囲は関係している物体のサイズが波長よりも大きい時です。虹は水滴が大きいですから球体内部での反射、屈折で説明することが可能なのです。屈折率が波長によって異なるというところは普通の幾何光学の範囲から少し出ています。でも虹の理論はニュートンの光学の中でも出てきますので波動光学というほどのものではありません。粒子的なイメージと波動的なイメージで決定的に異なるのは回折、干渉です。原子や分子のスケールの現象であればさらに光が電磁波（電波）であるということが問題になってきます。レイリー散乱が起こる仕組みでは分子内の電子が電波の電界によってゆすられるという効果が考慮されています。

海の青についてはｗｉｋｉｐｅｄｉａを見てください。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E3%81%AE%E9%9D%92
水自体が赤い光を少し吸収するというところがポイントです。
空の青が反射して青く見えるだけではありません。
この違いは潜ってみるとわかります。
潜れば青が強くなります。

回答No.12

nananotanu

http://www42.tok2.com/home/catbird/aoisoratoumi.html

乱反射、の使い方もおかしいですね。科学の世界ではこういうものを乱反射とは言わないのですが…小学校の理科で習わなかったのかな？
散乱の事も「物が散乱している」という時の散乱と同じと勘違いして。「散乱現象」という物理現象があることをご存じない方が書かれたのでしょう。

>散乱と乱屈折の違いはなんなのでしょうか。
乱屈折、という用語も怪しいのですが、上記URLで書かれている通りとして：散乱の方は、本当の事です、物理的に

散乱：1つの粒子で散乱されるだけで四方八方すべての方向に光が広がる
乱屈折：多数の粒子による屈折の積み重ねで、やっとすべての方向から光が来るようになる(ホントになるかなぁ、というのは疑問ですが)
ということのようです

お礼

ご回答ありがとうございます。
たしかに屈折と散乱は大いに異なりますね。
屈折であれば観測点が１メートルずれると見えなくなるという事もあり得ますよね(あくまで私的予想ですが)。

回答No.11

nananotanu

http://www42.tok2.com/home/catbird/aoisoratoumi.html

乱反射でもなく乱屈折でもなく　散乱　です。
散乱と反射の違いが分からない人が書いているようですね。

散乱はあらゆる方向に光が発せられますので、「全ての色が」「あらゆる方向から」きますよ。
あくまで強度の問題。

屈折であらゆる方向から来るなら、虹は何である決まった角度に現れるんでしょうね。

回答No.9

有木 巨智麿（@kothimaro）

空が青い理由を光の反射で空の青色を説明しようとすると、何故青い光のみが反射するのかと言う疑問が沸き起こります。
大気中には、多くの微粒子が存在し、青い光がその微粒子により乱反射(あらゆる方向への反射)して、本来月の空の様に真っ暗であるはずの空が、青く光ると説明されます。しかし、青い光のみが反射するのは、何故でしょうか。微粒子が青い色をしている時のみ、青い光が乱反射します。しかし、全ての微粒子が青い色をしている訳ではありません。

大気中には、多くの細かい水滴が含まれています。この水滴は、プリズムの様に光を屈折させます。青い光は赤い光よりも波長が短く、プリズムにより大きく屈折させられます。それに比べ、赤い光は波長が長く、余り屈折しません。

即ち、青い光は多くの水滴によりあらゆる方向へ屈折させられ、全ての方向から地上に降り注ぎます。これに対して、赤い光はあまり屈折せず、太陽からまっすくに地上に届きます。従って、空全体は青い色をしているのです。

ご質問の様な光の散乱ではなく、光の乱屈折が原因で空は青いのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
レイリー散乱やミー散乱が理由ではないのでしょうか。某科学雑誌Nには、その様に載っていたのですが。
散乱と乱屈折の違いはなんなのでしょうか。

回答No.8

htms42

wikipediaの「レイリー散乱」を見てみました。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%82%A4%E3%83%AA%E3%83%BC%E6%95%A3%E4%B9%B1
＞レイリー散乱は、光の波長よりも小さいサイズの粒子による光の散乱である。透明な液体や固体中でも起きるが、典型的な現象は気体中の散乱であり、太陽光が大気で散乱されて、空が青くみえるのはレイリー散乱による。
散乱の量は粒子の大きさと光の波長による。散乱係数は波長の４乗に反比例する。
これから波長の短い青は赤よりも多く散乱される。「夕焼け」・「朝焼け」は太陽と観測者の間に大気の存在する距離が日中と比べて長くなり、散乱を受けにくい赤色が届くことによる。一方で、日中には波長が短い青が観測者の方に散乱されることにより、空全体が青く見える。
光の波長と同程度以上のサイズの粒子（散乱体）による光散乱は粒子を球形と仮定した場合ミー散乱理論で扱われる。

しかし、しっくりこないところがあります。
それがどこかがあまりはっきりとはつかめていませんが一応話を組み立ててみました。

昼間の空はなぜあんなに明るいのだろうかということに関係があるように思います。
大気中に含まれている光の量自体に大きな違いがあるということになります。
太陽から直接観察者に届く光と散乱された光の２本立てで説明されることが多いです。そのときの図を見ると散乱光は観察者と太陽を結ぶ線上から枝分かれして出てくるように書かれています。この散乱光が目に入ると青く見えるという説明です。そうであれば空の明るさの原因もこの散乱光になります。でもレイリー散乱はものすごく弱い効果ですからこれだけでは空の明るさは出てこないはずです。直接観察者の方向にやってくる光以外の光からの散乱、その光が地表で反射して宇宙に出ていく途中での散乱をを考えないといけないはずです。半径数百ｋｍの範囲の地表にあたる光とその反射光すべてがこの明るさの源です。入ってきた光が反射してそのまま出ていったのでは空は明るくなりません。空の明るさはすべて散乱光によるものです。散乱光の中では青い光の割合が高くなっているというところはレイリー散乱による判断です。では「赤い光」はどうなっているのでしょうか。宇宙に出て行ってしまう率が高いということです。

夕方はどうなるでしょう。
太陽光を反射する地表面積が極端に小さくなります。
太陽からの直接光とそこからの散乱だけで説明されている場面が当てはまるようになります。
その時、青い光はどうなるでしょう。宇宙に出て行ってしまうことになります。
wikipediaには
＞「夕焼け」・「朝焼け」は太陽と観測者の間に大気の存在する距離が日中と比べて長くなり、散乱を受けにくい赤色が届くことによる

と書かれています。でもただ「長くなる」としか書かれていません。どの程度長くなるかがわからないので判断があいまいになってしまいます。
地表に垂直に見た時の大気圏の厚さを仮に１０ｋｍとします。
地平線方向に見た時の大気圏の厚さは３６０ｋｍほどになります。
夕方の光はものすごく狭い幅の中を通っていることがわかります。散乱された光は大気圏の外に出ていく率が高いのです。（地球の半径は６４００ｋｍ程ですから半径６．４ｃｍの円を描くと大気圏の厚さは０．１ｍｍになります。円の線幅ぐらいになってしまいます。その狭い幅の中で起こっている現象です。）

こういうのはどうでしょう。

※可視光線の波長を仮に４００（青）～５００（赤）ｎｍだとします。
４^4＝２５６、５^4＝６２５
散乱のされ方の違いは３倍もありません。
「レイリー散乱は波長よりも小さいサイズの粒子による散乱である」と書かれています。酸素分子や窒素分子の大きさは１０^-10ｍ程度ですから波長に比べると極端に小さいです。空気層がかなりの厚さを持っていなければ出てこない効果です。赤と青との違いはその中での違いですからやはり空気層の厚さが問題になります。（レイリーの式の中にはｄ^6という項があります。極端に弱い効果であるということがわかります。）

※波長と同程度のサイズの粒子による散乱はふつうコロイド粒子の散乱として観察されるものです。試験管レベルで観察可能です。（ガラスのコップの中に水を入れ牛乳を一滴たらします。ほとんど透明ですがうっすらと紫がかって見えるようになります。）

お礼

ご回答ありがとうございます。
参考URLも載せて頂き助かりました。

しかし、レイリー散乱が非常に弱いというのは、その大きさの粒子が集まった大気層がミー散乱を生み出すそれより薄い・少ないということでしょうか。

地表からの反射光も考えないといけませんね。想定外でした。地表も関与していると思いますが、海も同様でしょうね。水は長波長の光を吸収すると聞いたことがあります。となると、さらに短波長がレイリー散乱されますね。

＞地表に垂直に見た時の大気圏の厚さを仮に１０ｋｍとします。
地平線方向に見た時の大気圏の厚さは３６０ｋｍほどになります。
夕方の光はものすごく狭い幅の中を通っていることがわかります。散乱された光は大気圏の外に出ていく率が高いのです。

なるほど。垂直の場合はレイリー散乱を起こしてもその光は大気層内にいますが、地平線の場合は大気圏外に逃げますね。となると長波長の光が強くなるのもうなずけます。

>「レイリー散乱は波長よりも小さいサイズの粒子による散乱である」と書かれています。酸素分子や窒素分子の大きさは１０^-10ｍ程度ですから波長に比べると極端に小さいです。空気層がかなりの厚さを持っていなければ出てこない効果です。赤と青との違いはその中での違いですからやはり空気層の厚さが問題になります。（レイリーの式の中にはｄ^6という項があります。極端に弱い効果であるということがわかります。）

んー、どこかしっくりしません。
となると、レイリー散乱は可視光の波長に対しては起こりにくいということなのでしょうか。となると昼間が青空である事に疑問を覚えます。
夕方は太陽光が通過する大気層を考えると、チリや埃が多い層の距離が長くなりますからミー散乱が起こる。そして、短波長の光は一部が大気圏外にレイリー散乱され、赤く見えるというのは納得し始めました。

回答No.7

雪中庵（@psytex）

#6の者です。

＞夕方はミー散乱を起こしやすい大気層を長く通過するということでしょうか

主な原因としては、夕日は横から差すことで、より長く
大気を通過する事で、より多く青い成分を散乱されて、
赤くなる、というのが正しいでしょう。
頭上からさす場合も、多少は赤くなっているとは思います。

ミー散乱というのは、ホコリや水蒸気のように大き目の
粒子において、その縁で回折を起こす（直進だけでなく
背後に回り込む）ことによります。
この違いが作用するのは、朝焼けより夕焼け空の方が
赤い（あるいはより赤い事が多い）事においてです。
昼間の気温の上昇や人の活動によって、大気により
多くのホコリや水蒸気が含まれる事によって、夕焼け
空は朝の空よりも赤い事が多いのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
夕方と日中どちらの時もレイリー散乱・ミー散乱は起こりますよね。日中は大きい微粒子があまり舞っておらず、加えてミー散乱が起こり易い大気層と太陽光の距離が夕方のそれと比べて短いから、レイリー散乱されている短波長の光が打ち勝って青く見えるということでしょうか。

回答No.6

雪中庵（@psytex）

#3の者です。

＞短波長の光は散乱してしまい観測者に届かないのではありませんか

「舟べりで反射される」と言いましたが、それは舟と
相互作用する（舟に振動を与える）という事です。
（大きな波に乗って全体が上下する時には、舟自体は
振動しない）

振動した舟は、色んな方向に振動を再発信します。
光は量子という素粒子（光子とも言います）なので、再
発信する時にも全方向に波を出すではなく、ランダムな
散乱という形をとります。

＞同時に、長波長の光は空気を通過し観測者に届きそうな気がします

その通りです。
だから、途中で青い成分（波長の短い）を散乱された
夕日は赤いのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

「＞同時に、長波長の光は空気を通過し観測者に届きそうな気がします

その通りです。
だから、途中で青い成分（波長の短い）を散乱された
夕日は赤いのです。」

とのことですが、日中の場合どうなるのでしょうか。この場合でも青い色はレイリー散乱をしていますよね。となると調波長の光が届きそうな気がします。これは日中と夕方の太陽と観測者の距離が関与しているのでしょうか。つまり、夕方はミー散乱を起こしやすい大気層を長く通過するということでしょうか。度々すみません。

回答No.5

nananotanu

>中における長波長の光は散乱し始める前に地面に達する。これと同時に短波長の光がレイリー散乱を起こすから空は青いという考えではダメでしょうか。

残念ながら違いますね。
でも、ご自分で考えられて思い至られた過程は、学問的に素晴らしいと思います。

赤い光はレイリー散乱を「しない」のではなくて、レイリー散乱は振動数の４乗に強度が比例するので、青い光の方が　『圧倒的に強く(多く)』散乱されるのですよ。(圧倒的に早く、ではありません)
赤も同時に散乱されているけど、青の方が強く散乱されるので青い空に見える：昼間

一方、夕方、空が赤くなるのは、レイリー散乱による赤い光の散乱にミー散乱による散乱も加わるからです(昼間は、太陽からの光が赤くなりきっていないので、ミー散乱されてもそれは赤い光ではない)。ですから、火山の噴火後など夕焼けが異様なくらいに美しくなります。

お礼

ご回答ありがとうございます。
なるほど、散乱強度が計算できるのですね。
地球の大気は不変ですから、日中でも夕方でも両散乱は起きますよね。
両散乱がおきるが、夕方の場合、日中と比べて観測者と太陽の距離が永く、粒径の大きい大気層をより長く通過するため、赤い散乱が強くなり赤くなるのでしょうか。
度々、すみません。

回答No.4

nananotanu

厳密には、夕方、空が赤いのは「赤い光だけが(直接)届いて目にはいるから」ではありません。それなら太陽だけが赤くて、空は赤くならないはず。

赤い色だけが優勢になった太陽光が「散乱されて」昼間の空が青いように、夕方の「空が」赤くなるんです。
先ほど書いたように、散乱の仕組みは昼と夕方で違いますけどね(時間による差ではなく、散乱の原理が違う、って事です。)。

お礼

ご回答ありがとうございます。

んー、難しいですね。日中の空はレイリー散乱、夕焼けはミー散乱が関与しているのでしょうか。

補足

補足欄から失礼します。
ふと思ったのですが、日中における長波長の光は散乱し始める前に地面に達する。これと同時に短波長の光がレイリー散乱を起こすから空は青いという考えではダメでしょうか。

回答No.3

雪中庵（@psytex）

海に舟が浮いているとします。
その横から波が来たとして、小さい波なら舟べりで
はね返されますが、大きな波だと舟全体が揺らされ、
そのまま通過します。
同様に、気体分子は小さいので、短い波長と共振
（吸収＆放射）するのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

なるほど。短波長なら跳ね返されるが、長波長なら通過するということでしょうか。
しかし、また疑問です。そうすると、短波長の光は散乱してしまい観測者に届かないのではありませんか。同時に、長波長の光は空気を通過し観測者に届きそうな気がします。