今回は天気の素朴な疑問について学びます。
晴れた日に空を見上げると青い空が広がっています。と言うよりも空が青いからこそ晴れなんでですよね。
なぜ空は青いのでしょうか？
雲がないからです。
ではなぜ雲がないと空は青く見えるのでしょうか？？
雲は空気中の水蒸気が冷やされてできた水の粒や氷の粒が集まって作られます。
よって青い空は、これら水の粒や氷の粒がほとんどない状態です。
では何もないのか？というとそうではありません。
何もなければ宇宙空間と同じで真っ黒なはずです。
そして宇宙空間に無くて地球を覆っているものと言えば？？
そう大気です。
この大気と太陽の光により空は青く見えます。
太陽の光が地球に降り注ぎ、大気中の空気の粒（酸素や水素などの分子）やエアロゾル（微粒子）にぶつかると様々な方向へ、向きを変え飛び散ります。これを「散乱」と呼びます。
この太陽光の散乱という現象により晴れた日の空は青く見えます。
そしてなぜ青なのか？を知るためには太陽光について理解しなければいけません。
太陽光は様々な波長の電磁波が重なっていて、波長の短いほうから紫外線・可視光線・赤外線などに分類されます。私たち人が認識できるのは可視光線。
この可視光線を波として考えると、その波の高さが光の明るさで、波長（波の間の幅）が光の色になります。
色は波長の短い方から紫 藍 青 緑 黄 橙 赤の順（虹の色）です。
この光の波長と同じかやや大きい雲粒やエアロゾルにぶつかると、可視光線では波長（光の色）に関係なく同じように散乱されます。これをミー散乱といいます。
太陽光が雲にさすとミー散乱が起こり様々な色の光が重なった白い光が私たちに届きます。
これが雲が白い理由です。
※色は物体に光が吸収・反射することで決まります。赤色の花であれば花が赤色だけを反射し他の色は吸収します。また、どの色も吸収すれば黒。反対にすべての色を反射すると、その面が平らで滑らかであれば鏡になり、凹凸があると色々な方向に光が反射し重なるため白くみえます。
一方、可視光線がその波長よりはるかに小さい空気分子やエアロゾルにぶつかると波長の短い光ほどそれらにぶつかりやすくなり、強く散乱されるレイリー散乱が起こります。
最も強く散乱される色は紫です。次いで藍、そして青ですが、可視光線が地球の大気の層に入ると紫や藍は散乱しやすいため大気の上部で散乱されつくしてしまい、その光は地上に届きません。
地上に届く光の中で最も散乱の強度が高い青い光が空に広がって私たちの目に届きその他の光はあまり散乱されないため空は青く見えるのです。
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また、日中、太陽の光は真上から降り注ぎます。このとき、光が大気を通過する距離は地球を取り巻く大気の厚さのみです。一方、太陽の高度が低い朝や夕方は、光が横から射し込むようになるため距離が長くなります。
すると波長の短い光はすべて散乱してしまい残った波長の長い赤い光が空に広がります。
これが朝焼けや夕焼けの空です。
信号の「止まれ」が赤色なのは、見やすいのではなく赤い光が他の色よりも散乱の影響を受けにくく遠いところまで届くという科学的根拠に基づいているそうです。
ちなみに海が青いのは、海面で反射された空の青に加え、水が波長の長い赤い光を吸収するという特性をもっているため、私たちが海を目にするとき波長の長い光が吸収されることで青に近い色に見えるのです。
虹は球形の雨粒に太陽の光が衝突することで姿を現します。太陽の光が強いほどきれいに見えます。空気中に浮かぶ水滴に太陽光が射すと、2回の屈折と1回の反射が起きます。この時、波長によって屈折の角度が異なるため色が分かれて見えるようになります。
そして虹をみるには、太陽と反対側の空では弱い雨が降り、太陽側の空は晴れていて太陽光が強い状況の時が最適になります。例えば、太平洋側であれば夏の晴れた日の夕立の後の東の空、局地的な降水であれば東の空や西の空でも見ることができます。
私たちがいつも見ている空は太陽の光と大気に浮遊する粒子によって様々な光景が映し出されているのです。
参考資料
