青い空、赤い夕焼け、赤い月食、七色の虹はなぜ
空にはいろんな色があります。いつも見ている空の青、夕焼けや朝焼けの赤、虹の“七色”、雲の白。夜の黒。そんな疑問について考えてみました。昔からあるいわゆるよくある質問ですが。 　　 グランドキャニオンの初日の出と朝焼け(1994年1月1日、アメリカ合衆国コロラド州）
主な色と解説
プリズムと虹
太陽の光は、太陽の核融合で高温になった物質から発せられていますが、いろんな波長の光を含んでいます。波長というのは波の長さと書くように、波の山と山の長さのことです。これが長いと、赤に、短いと紫にとなります。赤と紫の間の色は、国によって違いますが、日本では、橙、黄、緑、青、藍、とよんでいます。赤よりも長い光を赤外線、紫より短いと紫外線、X線、ガンマ線などと呼びます。人の目に見える光は赤から紫までで、波長でいえば約780nmから400nmとなります。nmはナノメートルと読み、1nmは1mの10億分の1です。三角形の透明の物体に太陽の光を通すと、屈折という光の性質のために、光が曲がりますが、曲がり方が波長で異なるために、光が波長ごとに別れて出てきます。これを分光といいます。波長が長い（赤）と曲がりが小さく短い（紫）と大きくなります。光は真空中を秒速約30万kmで進みますが、透明の物体中では少し遅くなり波長が短いほど遅くなることによります。速度の比率を屈折率と呼びます。 　虹では、空気中にある雨粒である水の玉（球）に光が入るときと出るときに屈折するために、色が別れ虹色に見えるわけです。また、環天頂アークや幻日、内暈などでは、氷の結晶に光が入るときと出るときに屈折するために色が別れて虹色に見えます。氷の結晶は六角形ですが、正三角形プリズムの頂点を切り落とせば六角形になることから分かるように、内暈などの場合は現象としては正三角形プリズムと全く同じです。環天頂アークのように直角部分を通る場合には90度プリズムになります。なお、太陽の光に七つの色（七つの波長）があるわけではなく、上図右側の帯で示すように実際には無数の色（無数の波長）の光が混じっていますが、あくまで便宜的に七色と呼んでいるに過ぎません（一説にはニュートンがキリスト教の考えを元に7という数字を出しただけとも言われています）。プリズムできちんと分光した場合はともかく、空に架かる虹を見ても人の目にはせいぜい、赤、黄、緑、青の4色程度にしか見えません。 　なお、時々誤解して書かれていることがありますが、赤と緑の光が混ざったときに黄色になりますが、これは黄色の波長の光ができているわけではありません。人の目には同じ色に見えるというだけです。また、青い光が散乱し残った赤〜緑の光が混じって夕焼けの橙色になりますが、これも橙色の光（波長）になったわけではありません。これは人の視覚が3種類の視覚細胞に対する刺激量で色を判断しているために起こる錯覚です。この錯覚を利用したのが赤・青・緑の輝点を持つテレビやディスプレイです。
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虹は、太陽を背にして太陽の射す方向を中心に視半径42度の円として現れます（主虹）。ただし通常見える虹は円の上部が弧として見えています。このとき外が赤になります。また、視半径51度の円（の一部）として現れることがあり、これは副虹とよばれ、外側が青、紫になります。虹は空中に浮いている球状の水滴つまり雨粒が光を屈折・反射して、その虚像として見えています。主虹は1回の反射、副虹は2回の反射です。主虹と副虹の色の順番が逆になるのは図示したように、球状水滴内の複雑な反射と屈折によります。なお、光が虹に集まるために、主虹と副虹の間が暗くなり、これをアレキサンダーの暗帯と呼びます。 　虹を見つけるには、朝夕に雨の直後あるいは雨が降っていて陽が射してきたときに陽の射す方向（太陽を背にします）を探せば、少なくとも虹の断片はかなりの確率で見えているはずです。もちろん、噴水や大きな滝、ホースからまいた水でもできます。
青い空と赤い夕焼け
太陽の光が多くの色（波長）が混じったものだということが分かりました。次に、光の散乱について知っておきましょう。大気における光の散乱は空気そのものや空気中に浮いている物体によって引き起こされます。散乱は単に光が周囲に散らばるというイメージですが、物理的には光と物質の非常に複雑な作用によりますので、その物理的説明は難しすぎますので簡単に。 　空気の主成分である窒素分子、酸素分子、微小な煙粒子など、波長より十分小さい物質による散乱では（左図）、青い光（波長の短い光）はあらゆる方向に散乱しやすく、一方赤い光（波長の長い光）はそのままの方向に進みやすいのです。その結果、元の光が白くても（すなわちいろんな波長が混じっている場合）赤く見えます。Rayleigh（レイリー）散乱といいます。一方、大きめの水滴や氷晶、砂塵など、波長以上の物質による散乱では、青い光も赤い光も同じように全方向に散乱します（厳密に言えば、波長に依存する場合もあり、光輪の原因となります）。元の光が白ければ白く見えます。Mie（ミー）散乱といいます。 　人は、目に届く光の源がどこにあっても、目に飛び込んだときの光の方向に、その光源があるように解釈します。目と頭と刺激を受けた網膜それぞれの位置から瞬時に計算しているのでしょう。解釈に基づいて認知される像を虚像といいます。簡単な例では鏡に映ったものは、鏡の奥にあるように考えますし、凸レンズを通すと大きな物質があるように見えます。お風呂で指が長くなったり短くなるのも同じです。いわゆる蜃気楼など建物が浮いて見えたりするのもこのためです。 これと同じことが空にも言えます。空の青は、元は太陽から来ていますが、上空のあらゆる方向から、レイリー散乱で目に届きます。ですから、散乱している空気中の物質が存在する全方向が青いと感じるわけです。青空というのは、全天に広がった青いフィルターを通した太陽の虚像なのです（太陽の明確な形を保っていませんから、空気の分子や塵の実像と言うべきですね）。さて、昼の太陽が通過する大気の長さと、朝夕の低い位置にある太陽の光が通過する大気の長さは異なり、朝夕の場合には長くなります。そのためにレイリー散乱される青い光が多くなります。その結果目に届く光では赤い光の割合が増え、朝日や夕日は赤く見えます。さらにレイリー散乱で赤い波長が多くなった光が、空気中の塵などでミー散乱されて人の目に届くと、空が赤く見えます。塵などがあるところが本来赤い所なのですが、目にはその位置が分からないので上空全体が赤く感じられます。火山噴火で塵が増えると夕焼けがきれいになることがあります。雲の水滴でミー散乱されると、白かった雲が赤く染まります。なお、ここまでは話を単純化するために、夕焼けの色は赤い光によると書いていますが、実際には緑〜橙の光もかなり通っていて、それらの混じった色です。これも橙色の光（波長）になったわけではありません。あくまで、人の目には同じような橙色に感じるということです。ちなみに、日本では太陽を絵に描くときに、夕日や朝日でなくても赤く描きますが、これは不思議なことですね。 　ところで、ついでの話ですが海が青く見えるのはなぜでしょうか。これは主に2つの理由があります。一つは、よく言われるように空の青さを映しているからです。つまり、レイリー散乱された青い波長の光が界面で反射された光が目に入るからです。もう一つは、水が赤い光を吸収するからです。海面から中に入った光のうち、赤い光はわずかに水に吸収されます。残った青く見える光が、海中の粒子や海底で反射して、人の目に入るのです。ですので、空がなくても、水が多いと青く見えます。お風呂の水もよく見ると少し青く見えますね。
月食の赤い月
2011年12月10日の月食時の月
月食は、月が地球の陰に入る現象ですが、月が見えなくなるわけではなく、多くの場合少し赤く見えます。これはなぜでしょうか。月食（月蝕）は、地球から考えると少し分かりにくいですが、このとき月から太陽を見ると、地球の向こうに太陽が隠れてしまう現象です。太陽が隠れるので、もし光が直進するだけであれば真っ暗になります。これは皆既日食の時の地球と同じです。ところがこれまでに説明してきたように、地球の周りには空気（大気）があり、光は空気によってわずかに屈折しますので、もし非常に澄んだ大気であれば、真っ暗ではなくて少し明るい状態になります。ところが、夕焼けと同じように、大気には多くの塵が含まれているので、青い光は散乱されてほとんど届かず、赤い光だけが月に届きます。ですから、塵の量や大きさによって月食時の色が変わってきます。 　なお、ときどき赤い光だけが屈折するような表記になっている解説を見ますが、プリズムのところで説明したように、青い光の方が屈折で曲がる角度は大きいです。青い光が届かないのは散乱だけに因ります。また、写真で撮ると目で見るより赤く見えますが、これは露出時間が長かったり（人の目は暗いと色を感じない）、人の目には見えない赤外線も赤く感じてしまうことに因ります。
白い雲
白い雲の説明はもう必要ないでしょう。白い雲は、ミー散乱する程度の大きさの水の粒（霧とおなじ）や氷の粒でできていますから、太陽の光をほぼそのまま散乱します。水滴や氷表面の反射も多いと思われます。ですから太陽の混じった波長の光がそのまま目に届くので白く見えるわけです。ただし、水滴や氷が光を回折したり屈折したりすると、虹色に輝き始めます。気象光学現象といい、これは見つけるとやみつきになります。こちらのページに詳しく書いています。
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