レイリー散乱
小さな砂利道で小さなボールだけが激しく跳ね返るように、ごく小さな空気の粒によって波長の短い青い光だけが四方八方に散らばる現象です。
定義 太陽光が地球の大気を通る際、光の波長よりもはるかに小さな空気の分子とぶつかって四方八方に散乱する現象です。波長が短い青い光ほど強く散乱されるため、昼間には青い空を、夕方には赤い夕焼けを作り出します。
昼の空が青いキャンバスになる理由
太陽の光は、実は虹のように赤から紫までのすべての色の光が混ざり合った透明な光です。それぞれの色には、独自の波の長さである「波長」があります。赤い光は波長が長くゆったりとうねっていますが、青い光は波長がとても短く細かく波打っています。
太陽光が地球を取り囲む大気に入ると、窒素や酸素といったごく微小な気体分子に出会います。このとき、波長の長い赤い光は空気分子を軽々と飛び越えてまっすぐ進みます。一方で、波長の短い青い光は小さな空気分子に何度もぶつかり、四方八方へと跳ね返されます。
こうして散らばった青い光が空いっぱいに広がり、私たちの目に届きます。私たちが晴れた日の昼間に空を見上げると、空全体から散らばった青い光を見ていることになるのです。
夕焼けはなぜ赤く染まるのか？
日が暮れる頃になると、太陽の位置が地平線近くまで低くなります。昼間は太陽光が頭上からほぼ垂直に差し込みますが、夕方には斜めの角度から届きます。その結果、太陽光が私たちの目に届くまでに通り抜ける空気の層の厚さがぐんと厚くなります。
太陽光が分厚い空気の層を長く通過する間に、散らばりやすい青い光は途中で四方八方に跳ね飛ばされて消えてしまいます。私たちの目が届くところまでたどり着けず、途中で散乱し尽くしてしまうのです。
結局、散乱されずに最後までまっすぐ進み続けた波長の長い赤い光やオレンジ色の光だけが私たちの目に届きます。そのため、昼間は青かった空が夕方になると美しく赤い夕焼けへと染まるのです。
もう少し詳しく知ると
イギリスの物理学者レイリー卿は、光が散乱する強さが光の波長の4乗に反比例することを発見しました。波長が半分に短くなると、散乱される強さはなんと16倍にも跳ね上がります。そのため、波長の長い赤い光よりも波長の短い青い光の方が、およそ5倍から6倍も強く散乱されます。
では、青い光よりもさらに波長が短い紫色に空が見えないのはなぜでしょうか？ 太陽から届く光のうち紫色の光の量自体が青色よりもずっと少ない上に、人間の目が紫よりも青に敏感に反応するためです。
また、空気分子のように光の波長よりも小さな粒子で起こる散乱だけを「レイリー散乱」と呼びます。雲の水滴や埃のように光の波長よりも大きな粒子では、すべての色の光が一様に散乱される「ミー散乱（Mie scattering）」が起こり、白く見えるのです。
🤔 よくある誤解
宇宙空間でも、昼間のように空が青く見える。
宇宙には光を散乱させる空気分子がないため、太陽が眩しく輝いていても背景の宇宙空間は真っ暗な闇に見えます。
🧺 日常で出会う場面
光の波長よりも小さな空気分子にぶつかることで、青い光が赤い光よりもはるかに強く散乱される現象です。