Credit: Pixelbay user LalalaB. (CC0 Public Domain)
なぜ空は青いのか？ これは子供たちによく聞かれる質問ですが、簡単な答えは、青い光は赤い光よりも大気によって多く散乱されるため、空が青いということです。
私たちが観察する青い空は、太陽光が地球の大気とどのように相互作用するか、そして私たちの目がその光をどのように知覚するかという2つの要因に依存しています。 大気散乱の主な形態はレイリー散乱として知られています。 光子が空気の分子に跳ね返される様子を想像していただければ、おおよその見当がつくと思います。 しかし、光子と空気の分子はビリヤードの玉ではないので、違いがあります。 そのひとつが、光の波長（色）によって散乱の度合いが異なることです。 波長が短ければ短いほど、光はより多く散乱します。 赤から紫への虹は、波長の長い光から短い光に対応するので、波長の短い青色ほど多く散乱します。 そのため、青い光が散乱して、空が青く見えるのです。 また、夕焼けが赤く見えるのもこのためです。
しかし、もしそうなら、なぜ空は紫色ではないのでしょうか？ 確かに青い光は赤や緑より散乱されますが、紫の光はさらに波長が短いので、青より紫の方が散乱されるはずです。 空は紫に、あるいは紫紺に見えるはずではないでしょうか？ 空は紫色なのに青く見えるのは、私たちの目の仕組みのせいなのです」
人間の目。 Credit: Wikipedia
私たちは個々の波長を見ているわけではありません。 その代わり、私たちの目の網膜には、錐体として知られる3種類の色に敏感な細胞があります。 1種類は赤の波長に最も敏感で、他の2種類は緑と青の波長に最も敏感である。 私たちが何かを見て、その光が網膜に当たったとき、それぞれの錐体からの信号の強さによって、私たちが見る色を脳が決定しているのです。 この色は、私たちが実際に見ている波長とほぼ同じですが、微妙な違いがあります。 錐体の種類は、赤、緑、青に感度のピークがありますが、それ以外の色の光も検知しています。 青」の波長の光は、青の錐体を最も刺激しますが、赤や緑もほんの少し刺激するのです。 しかし、空が紫色の光であるため、緑色は見えません。 紫色は地球の大気によって最も散乱されますが、私たちの目にある青錐体は紫色に対してそれほど敏感ではありません。 赤の錐体は青や紫の光を見るのが苦手ですが、紫の光には緑の錐体より少し感度が高いのです。 もし紫色の波長だけが散乱していたら、赤味を帯びた紫色の光が見えるはずです。 しかし、空の青と紫の光を合わせると、青の緑がかった光と紫の赤みがほぼ同じになり、洗い流されてしまうのです。 ですから、私たちが見ているのは薄い青空です。
波長でいえば、地球の空は本当は青みがかった紫色なのです。 しかし、私たちの目のせいで、それを薄い青色として見ているのです。
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私は宇宙物理学者であり、教授であり、作家でもあります。
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