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2009年9月 9日 (水)

空はなぜ青いのか?

秋の空は真っ青で高い。

空はなぜ青いのだろうか?

 

それは、空が青く光っているから。

 

ではどうして空が光るのか?

空気を構成する酸素分子と窒素分子が太陽の光を散乱しているのか?

 

しかし、ただ散乱しているのでは、太陽からの全ての色の光(すなわち全ての波長の光)を散乱するはずなので、

空は太陽と同じ色、すなわち白色に光ることになる。

 

では、青い光だけを散乱するということはどういうことなのか?

 

そこで、空気中の分子が青い光を吸収して、再び、青い色(同じ色)の光を放出する、という考え方も出来る。

光もエネルギーなので、分子が光を吸収すると、吸収したエネルギー分だけ、高いエネルギー状態となり、不安定なので、同じ光を放出して元の状態に戻る。

このことは、(量子力学的には、)気体分子による光の吸収と放出と考えられるが、

光が電磁波であることを使って、(古典的な)電磁気学で説明が出来る。

 

酸素分子や窒素分子は、人間が見ることの出来る光(可視光)の波長(0.4μm~0.8μmの波長)よりも十分小さい。

このような、波長よりも十分小さい物体による光の散乱は、その散乱機構を説明したイギリスのレイリー卿(John William Strutt)に因んで、レイリー散乱と呼ばれている。

 

レイリー散乱は、分子中の電子が光によって強制的に振動させられ、その振動によって、光を放出するものである。

 

光は電磁波なので、電場と磁場が振動している。

この振動が分子の中の電子を振動させる。

電子が振動すると、その振動の周波数で電磁波(光)を放出する。

 

これが、分子が光を吸収して、再び放出するレイリー散乱の過程である。

レイリー散乱では、入ってきた光と同じ周波数および波長の光を放出するので、

青い光が出てくるのにはもう少し理由が要る。

 

レイリーの計算によると、レイリー散乱の強度は光の振動数(周波数)4乗に比例する。

光(電磁波)の振動数(周波数)と波長との関係は

 

波長×振動数=光の速さ

 

である。青色の波長が赤色の波長の約半分なので、青色の振動数は赤色の約2倍になる。

その4乗で、青色の強度は赤色の強度の約16倍強くなる。

このために、青色が空気中の分子によって散乱されやすく、空が青く見える理由になっている。

 

太陽の光のうち、青色が散乱されやすいと、空気の層を長い距離進んできた光の場合、青色が少なくなって、赤色が強くなるはずである。

朝日や夕陽の太陽の光は、斜めすれすれに地表に届くので、空気の層を非常に長い距離進んでくる。

そのために、朝日や夕陽は赤くなるのだが、実際にはそれだけではなくて、他の光の散乱が、特に赤い夕陽の原因になっている。

 

夕陽の赤い理由はまた次に話そう。

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