夏が近づいてきました。太陽を楽しむには良い季節です

毎年5月16日はユネスコが制定した国際光の日です。

この国際記念日は2018年に制定されたばかりで、非常に新しいものです。当初の目的は、1960年5月16日のレーザーの誕生を記念することでした。

前回の記事ではレーザーの原理を紹介しました。レーザーの存在があったからこそ、私たちの夜は輝き、CD、チップ、光ファイバー、レーザー彫刻などのハイテク工業製品が誕生し、生活の利便性が大きく向上しました。

レーザ

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しかし、レーザーは美しいものの、長時間見ていると少し単調になってしまいます。

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自然の光と影は本当に予測不可能で魅力的です。情熱的な夏がもうすぐやって来ます。今日は、夏の不思議な光学現象についてまとめてみました！

1. 空気の影

不透明な物体は太陽光の下では影を落とすというのはよく知られた事実です。これは「光は直線的に進む」という典型的な例です。

でも、ご存知ですか？目に見えず色のない空気にも実は影があるのです。

晴れた朝、照明条件が良好なときに、直射日光が当たる白い壁を見つけて、注意深く観察することができます。

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おそらく白い壁にぼんやりとした影が見えるでしょう。それらは水の流れのように不規則な形で、絶えず上昇しています。

これは空気の「影」であり、空気の流れを間接的に観察することができます。

空気は常に低温（高圧）の場所から高温（低圧）の場所へと流れ、その流れの中で空気の密度と温度は常に変化します。

密度と温度が異なる空気は光に対する屈折率が異なるため、光線が流れる空気を通過すると、屈折率の変化により直線運動を維持できなくなります。最後に、壁に投影された光の一部は明るく、他の部分はわずかに暗くなり、水面の波紋に似たパターンが形成されます。

この現象は一年を通して晴れた日に見られますが、夏は日差しが強く、短時間で地表近くの空気を熱し、上昇気流を速くすることができるため、観測されやすくなります。正午を過ぎると、地表付近の気温が安定状態となり、激しい対流も起こらなくなるため、見えにくくなります。

ろうそくの炎の上の空気の「影」

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空気の影は、温度が高い熱源の上にも観測されます。たとえば、猛烈な火災が発生すると、周囲の空気の温度が急激に上昇し、光が明らかに歪みます。アスファルトは灼熱の太陽の下で大量の熱を吸収します。道路上の空気の激しい蒸発を観察できるだけでなく、蜃気楼という特殊な光学現象も見ることができます。

2. 路上の幻影

蜃気楼というと、砂漠の幻想的なオアシス、海上の雄大な高層ビル、雲海に浮かぶ影のような寺院などを思い浮かべる人もいるかもしれません。

これらの蜃気楼は壮観ですが、めったに見られません。

対照的に、道路上の蜃気楼はより一般的で現実的です。

道路上のミラージュ

ソースについては透かしをご覧ください

暑くて晴れた夏の日に道路を運転していると、前方の道路に大きな水たまりが見つかるでしょう。しかし、車が近づくと、水跡は突然消え、少し先に再び現れました。

子どもの頃、夏休みにサイクリング旅行に出かけました。炎天下の道を歩いていると喉が渇いて疲れました。私は何度も希望を抱いて夢の水たまりに向かって走りましたが、何度も何も得られませんでした。私は非常に落胆し、混乱しました。その後、大人になってから、これが光の屈折によって生じた蜃気楼であることに気づきました。

冷たい空気（青）と暖かい空気（赤）の境界面を通過する光の屈折

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光が熱い空気から冷たい空気に移動すると、低温領域に向かって屈折します。光が空気の複数の温度層を連続して通過すると、曲線に沿って伝播します。

蜃気楼は、上蜃気楼と下蜃気楼の2種類に分けられます。上空の蜃気楼は、地上（海面）付近の空気の温度が上空よりも低く、光が上向きに凸の曲線に沿って進むときに、上空の高いところに現れます。一方、劣等蜃気楼は、地表（路面、砂漠など）付近の空気温度が上空よりも高い場合に地上に現れ、光は下に凸の曲線に沿って進みます。

上方蜃気楼（左）と下方蜃気楼（右）。下級の蜃気楼では、地面が空を映した鏡のように見えることに注意してください。

画像出典：参考文献[1]

そのため、焼けつくような熱い空気が道路や砂漠の表面に鏡のような反射界面を形成し、いわゆる水たまりは実際には空の反射に過ぎません。

チャイダム盆地の蜃気楼

3. 美しい虹

夏の天候は変わりやすく、短時間の大雨が降ることが多いです。雨が止んで空が晴れたら、珍しい虹を待つことができます。

天と地の間にそびえ立つ巨大で色鮮やかなアーチを見たときの衝撃と喜びは言葉では言い表せません。

虹も光の屈折によって生じます。太陽光は、屈折率が異なるカラフルな単色光で構成されており、雨上がりの空気中の濃い水滴によって屈折、反射、屈折のプロセスを通じて簡単に分離されます。物理の授業で行われるプリズムの虹の実験はその典型的な例であり、私たち全員がよく知っている知識です。

水滴分光法の模式図

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次に、知識の盲点を探り続けましょう。なぜ虹はいつも丸いのでしょうか?

答えは簡単です:

多数の小さな水滴が太陽光をあらゆる方向に屈折させますが、私たちが見ることができるのは特定の領域の虹色の光だけです。

この「特定領域」は円形のリング領域であり、その範囲は空気と水滴の界面における光の屈折率と反射率によって決まります。

人間の目を頂点として 2 つの仮想円錐を描きます。 2 つの円錐の底によって形成される円が、この時に人間の目に見える虹です。図には 42° の仮想円錐のみが描かれています。

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異なる色の光は、空気と水滴の界面を通過するときに屈折率と反射率が異なるため、最終的には 40° (紫色光) から 42° (赤色光) の範囲の特定の角度で外側に伝播します。

人間の目を頂点として、半頂点角がそれぞれ 40° と 42° の 2 つの巨大な仮想円錐を空中に描きます。これら 2 つの円錐の底部に囲まれた円形のリングが、私たちが目にする円形の虹です。

現在の太陽光の角度により、虹の輪の中心が地面より下になるので、虹の一部しか見えません。

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飛行機から完全な虹が見える

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この仮想リングの位置は、観察者の位置によって異なります。

したがって、シャオミンが位置 A で虹を見ると、シャオホンも位置 B で別の虹を見ることができ、飛行機上の位置 C にいるシャオリャンは完全な円形の虹を見るチャンスさえあります。

シェイクスピアの有名な格言を借りると、「千の目には千の虹がある」です。ですから、あなたが見る虹を大切にしてください。すべての虹はあなただけの景色なのですから。

4. 強力な稲妻

夏の嵐には、雷という独特の自然現象も発生します。

厳密に言えば、雷は光学現象ではなく、静電気現象です。しかし、これは、雷の巨大なエネルギーを含んだ光と影を鑑賞することを妨げるものではありません。

雷は空気中の帯電物質の放電によって発生します。

空気中の水滴、塵、その他の粒子間の相互摩擦により、水蒸気を豊富に含む積乱雲には、正電荷と負電荷が大量に蓄積されやすくなります。一般的に、雲の上半分は正に帯電し、下半分は負に帯電します。両者の電位差が十分に大きい場合、さまざまな経路を通じて放電が発生し、雷が発生します。放電の仕方の違いにより、雷は雲内雷、雲間雷、対地雷の 3 つのタイプに分けられます。

雲の中の雷（左）、雲と雲の間（中央）、雲対地の雷（右）

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雷が発生する前に、まず 2 つの放電極の間で先端放電が発生し、電荷の流れの経路が形成されます。大気は常に激しい対流状態にあるため、電荷は流れるときに自発的に抵抗が最も少ない経路を探し、川や木の根のような曲がりくねった経路を形成します。経路が形成されると、巨大な電流が流れ、まばゆいばかりの稲妻が発生します。

山中で雷に打たれた松の木

著者撮影

上空の雲間の電位差が非常に大きいため、放電電圧は100万ボルト以上に達し、放電経路の温度は数万度に達することがあります。雷は数マイクロ秒しか持続しないため、放電電力が高くても、木を切り倒すのに「十分」なだけの大量のエネルギーを放出することはできません。

しかし、これは人体にとっても非常に危険なので、雷雨の際には雷を引き寄せる開けた場所には絶対に行かないでください。

5. その他の光学現象

上記の例に加えて、夏には他にも多くの興味深い光学現象を観察できます。

例えば、太陽や月を取り囲む虹（日暈・月暈）、木陰のまだら状の光と影は実は小さな太陽（ピンホール撮影）、夜空の明るい星は常に明滅している（光の屈折）、ホタルで構成された星の海（化学蛍光物質からの発光）などです。

この夏は、好奇心を持って「光を楽しむ」夏の旅に出かけましょう！

参考文献:

[1] バスデヴァント、JL。（2023年）。変分原理。物理学における変分原理より。シュプリンガー、チャム。 https://doi.org/10.1007/978-3-031-21692-3_2

[2] 虹が現れるのはどのような大気条件によるものでしょうか？地球気象気候センター。 https://www.globalweatherclimatecenter.com/

[3] 雷。ウィキペディア。 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%97%AA%E7%94%B5