なぜ空には太陽が7つあるのでしょうか？

2024年8月18日、成都市の住民は息を呑むような自然の驚異を目撃しました。空に7つの太陽が同時に現れたのです！図 1 に示すように、このシーンはインターネット上で急速に人気を博し、数え切れないほどのネットユーザーの賞賛と議論を巻き起こし、中には「后羿、仕事の時間だ」と冗談を言う人もいました。それで、何が起こっているのでしょうか?光と影の素晴らしい出会いの謎を解き明かしましょう。

図1 7日間連続日数（出典：Guangming.com）

まず第一に、科学的な観点から、太陽系には本当の太陽は一つしかないということを明確にする必要があります。では、空に現れる 7 つの太陽をどう説明すればよいのでしょうか?これは、サン ドッグとして知られる大気光学現象、または特定の条件下での光の屈折と反射によって引き起こされる光学的錯覚である可能性があります。

図 2 に示すように、「サン ドッグ」は、太陽が中程度の高度にあり、空に光を透過できるほど高い雲が十分ある場合に通常発生する、まれな大気光学現象です。これらの高層雲には六角形の氷の結晶が多数含まれており、太陽光が特定の角度でこれらの氷の結晶を通過すると、屈折して反射し、空に複数の太陽があるような錯覚が生じます。この現象を捉えるには、観察者が非常に適切な角度を持っている必要があります。

図2 サンドッグとサンドッグの原理 (画像出典: Baidu)

しかし、成都の事件では、「太陽犬」が説明の可能性があるものの、撮影者の説明によると、写真はガラス越しに撮影されており、この現象は複数の角度から見ることができたため、これは別の光学現象、つまり光の多層屈折と反射である可能性が高い。

図3に示すように、光が単層のガラスの上部界面に入射すると、空気とガラスの境界である界面で光の反射と屈折が引き起こされます。具体的には、光の一部は反射の法則に従い、界面で反射されます。一方、光の残りの一部は屈折の法則に従って界面を通過してガラスの内部に入り、その後の過程でガラスの下面（つまり、ガラスと空気のもう一方の界面）で再び反射と屈折の交互の効果を受けます。理論的には、このプロセスは上面と下面の間を無限に循環し、無数の反射光と透過光を生成します。しかし、実際の用途では、従来のガラスの光透過率は光反射性能よりも大幅に優れているため、光エネルギーの大部分は、2 回の屈折 (1 回はガラスに入るため、もう 1 回はガラスから出るため) を経て透過光の形で直接伝達され、無限光線の出現を回避します。

シナリオが複数層のガラスに拡張されると、状況はさらに複雑になります。この構造では、ガラスの各層の上面と下面が光の反射と屈折の媒体として機能し、複数の層間で光が頻繁に反射および屈折するようになります。ガラスの層が増えると、反射や屈折の数もそれに応じて増え、反射光と透過光の両方向に複数の光線が共存する様子を観察することが可能になります。しかし、反射と屈折のプロセスごとに光エネルギーの損失が伴うため、反射と屈折の回数が蓄積されるにつれて、反射光と透過光の両方の光強度が徐々に弱まり、最終的には無視できるようになります。

図3 単層ガラスの反射と屈折

図4 レーザー4層ガラスの全体的および局所的な反射と屈折

図 4 は、4 層のガラスにおけるレーザーの反射と屈折を示しています。左の写真は実験装置の実物写真です。装置全体は、半導体レーザー、ステージ、ガラススライド、および光スクリーンで構成されています。 4枚のガラススライドからなる多層ガラスにレーザーを照射し、光スクリーンで画像を受光します。右の写真は部分拡大です。写真から、4層のガラスを透過して反射と屈折を経て、光スクリーン上に7つの光点が映し出され、光の強さが徐々に弱まり、肉眼では判別できなくなることがわかります。この現象は観察者の位置とは関係ありません。ガラスの層数が増えると、観察できる光点の数も増えます。光点の間隔はガラスの間隔に関係します。ガラス間の間隔が大きいほど、光点間の間隔も大きくなり、これは理論分析と一致しています。

図1の七日合の画像では、3番は太陽そのもので、4～7番は図4と同様に二重層ガラスの屈折と反射によって形成されています。3～7番にも明らかな減光効果があり、これは多層ガラスの屈折反射画像の特徴と完全に一致しています。数字 1 と 2 はガラスの層の変形によって形成され、画像が別の方向に形成される可能性があります。つまり、これら 7 つの太陽は実際には存在せず、ガラス内での太陽光の多重屈折と反射によって形成される視覚現象にすぎません。