レイリー散乱

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白い光（白色光）です。それぞれの色は固有の波の長さである「波長」を持っています。赤い光は波長が長く緩やかに揺れますが、青い光は波長がとても短く細かく波打ちます。

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極めて微小な気体分子に衝突します。このとき、波長の長い赤い光は空気分子によってほとんど散らされず、そのまままっすぐ進みます。一方で波長の短い青い光ははるかに多く散乱されます。光が空気分子の中の電子を揺らし、その電子が四方八方に光を再び放つ仕組みです。

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。晴れた日の昼間に空を見上げたとき、私たちは空全体から降り注ぐように散乱された青い光を見ているのです。

日没の頃になると、太陽の位置が地平線近くへと低くなります。昼間は太陽光が頭上から垂直に近い角度で降り注ぎますが、夕方は斜めの角度から差し込みます。その結果、太陽光が私たちの目に届くまでに通り抜けなければならない空気層の距離（光の通り道）がはるかに長くなります。

光が長い空気の層を通過する間に、散乱されやすい青い光は途中でその多くがあちこちへ散り散りになってしまいます。そのため、私たちの目が届く場所まで到達できる青い光は大幅に減ってしまうのです。

結局、散乱されにくく最後まで生き残った波長の長い赤い光やオレンジ色の光が、相対的に多く私たちの目に届きます。こうして、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。

イギリスの物理学者レイリー卿は、光が散乱される強さが「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、散乱される強さは実に16倍にも跳ね上がります。例えば波長約450nmの青い光は、約700nmの赤い光に比べて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？ それは太陽光に含まれる紫色の光が青色よりも少し少なく、何よりも人間の目が紫色よりも青色に対して敏感に反応するためです。散乱された光が合わさった結果、空は青く知覚されます。

なお、空気分子のように光の波長よりもはるかに小さな粒子によって起きる散乱を「レイリー散乱」と呼びます。粒子の大きさが光の波長と同等かそれ以上になると「ミー散乱（Mie scattering）」が支配的になり、色による散乱の差が大幅に小さくなります。特に雲の水滴のように粒子が波長よりずっと大きい場合、すべての色がほぼ均等に散乱されるため白く見えるのです。