白色の太陽光
太陽光は赤・橙・黄・緑・青・紫が連続して混ざった白色光。 プリズムを通すと虹色に分かれます。
Headline
青は「拡散しやすい光」、空は「巨大な拡散装置」。
どこを見ても青が届くのは、波長の短い光が大気のあちこちで何度も散らされるから。 色の主役は散乱と吸収のせめぎ合いで決まります。
Mechanism
4つの基本ピース
白色光・大気分子・波長依存・観測方向。空の青は、どれが欠けても成立しません。 まずは登場人物を揃えます。
大気分子
窒素 N₂・酸素 O₂ といった分子は、可視光の波長より遥かに小さなターゲット。 この極小サイズがレイリー散乱を生みます。
1 / λ⁴ 則
散乱の強さは波長の4乗に反比例。波長が半分になれば散乱は16倍強くなる、 極端な波長依存性を持ちます。
視線の方向
真上を見れば散乱光（青）が、太陽方向を見れば直達光（白〜赤）が届く。 観測方向で見える色は変わります。
I ∝ 1 / λ⁴
波長 λ が短いほど散乱強度 I は急激に増える。青は赤の約10倍散らされる。
T = exp(−τ · sec θ)
太陽高度 θ が低いほど大気路長が伸び、青はほぼ消えて赤が残る（夕焼け）。
Models
散乱を3つのレジームで捉える
粒子のサイズ r と光の波長 λ の比 x = 2πr/λ が散乱の振る舞いを決めます。
レイリー散乱
分子サイズ。波長依存が強く、青〜紫が前後左右に等しく散らされる。
- 強度 ∝ 1/λ⁴
- 等方的に近い散乱パターン
- 地球の青空・遠くの山の霞
ミー散乱
波長と同程度の粒（雲粒・ダスト）。波長依存が弱く前方に強く散る。
- 波長依存はゆるやか
- 前方散乱が支配的
- 白い雲・霧・火星の空
幾何光学
粒子が十分大きい領域。反射・屈折で記述でき、虹や日暈などを生む。
- 反射＋屈折＋回折
- 角度依存の鋭いパターン
- 虹・ハロ・グローリー
Why blue, not violet
「紫じゃないのか？」3つの理由
1/λ⁴ 則だけ見れば紫が最強のはず。でも空が青く見えるのは、 物理・生理・大気が同時に働くからです。
太陽光に紫が少ない
太陽スペクトルは可視域では青〜緑がピーク。 紫の成分はそもそも青より少ないため、散らす元が不足します。
人間の目は紫に鈍い
視細胞 S 錐体は青に強く反応するが紫域では感度が下がる。 紫の散乱光は届いていても「見えにくい」。
大気が紫を削る
オゾン層などが紫外〜紫寄りを吸収。 散らされた紫は到達途中で減衰し、青が勝ち残ります。
Sun angle
正午から夕焼けへの遷移
太陽高度が下がると大気路長は伸び、空の色は連続的に変化します。
正午：直達は白
路長が最短。直達光は白に近く、横方向の散乱光（空）は深い青に染まる。
夕方：青が削れる
太陽が低くなり大気を斜めに長く通る。青が散らされ尽くし、橙〜赤が直達光として残る。
地平線付近：紅
路長は最大。残った長波長が雲に当たり、雲底を赤く染める。空の色は青と橙のグラデーション。
Interactive
レイリー散乱シミュレータ
太陽高度・大気の濃さ・粒子の種類を変えて、空の色（散乱光）と 太陽の色（透過光）がどう動くか確かめましょう。
太陽が高く大気を真っ直ぐ突き抜けるので、青の散乱光がくっきり広がっています。
SKY
散乱光
SUN
透過光
読み方： 上半分は空の色（散乱光の積算）、太陽の輪は透過光。粒子タイプを動かすとレイリーから ミー散乱へと振る舞いが変化します。
Across the solar system
惑星ごとに変わる空の色
散乱の主役と吸収体が変われば、空の色も変わります。色は大気の指紋です。
青
分子レイリー散乱が主役。1/λ⁴ で青を撒き散らし、空全体が青に染まる。
赤
酸化鉄ダストによるミー散乱と吸収で青が削られる。太陽の周りだけは前方散乱で青く見える逆転現象も。
淡い黄
水素・ヘリウム大気の上に薄い有機ヘイズ。青を少し削り、パステル調の黄色になる。
濃いオレンジ
窒素＋メタンから生まれるトリン（複雑有機エアロゾル）が青を強く吸収。重ね合わせで濃いオレンジに。
Next steps
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