空はなぜ青いのでしょうか？虹の七色の代わりに？

見上げると、今日も青い空と白い雲が広がる素敵な一日です。待ってください、奇妙な疑問が突然頭に浮かびました。

空はなぜ青いのでしょうか？

色とりどりの太陽の光が、この紺碧の色に最初の青い線を加えます。

太陽光の本質は、最もエネルギーの高い紫外線から、肉眼で識別できる可視光線、そして近赤外線スペクトルの一部に至るまで、太陽から放射されるすべての電磁放射線です。

光のエネルギーが高いほど波長は短くなるため、可視光線では青色と紫色の光は波長が短くエネルギーが高く、オレンジ色と赤色の光は波長が長くエネルギーが低くなります。

そのため、白色光がプリズムを通過すると、異なる波長の光が異なる方向に屈折し、素晴らしい分散現象が生まれます。

空でも、同様の素晴らしいプロセスが静かに起こっていますが、このプロセスで働いているのは人工のプリズムではなく、空に浮かぶ酸素、窒素、水、二酸化炭素、アルゴンなどのさまざまな小さな粒子です。このプロセスはレイリー散乱と呼ばれます。

レイリー散乱とは、半径が光やその他の電磁放射の波長よりもはるかに小さいこのような小さな粒子による入射光線の散乱を指します。レイリー散乱は気体、液体、固体で静かに発生しますが、気体で最も顕著になります。

レイリー散乱の法則によれば、光の強度が高く、波長が短いほど、散乱する量が多くなります。そのため、最も波長の短い紫色の光の散乱頻度は、最も波長の長い赤色光の散乱率の 9 倍以上になります。

太陽が空の中心の高い位置にあるとき、太陽光は垂直またはわずかに斜めの角度で大気圏に入ります。実際、赤色光はごく一部しか散乱しませんが、青色光の大部分は散乱して空間全体を満たします。

この時期、空を見上げると、その透明度と青さに自然と驚嘆するでしょう。しかし、太陽が昇ったり沈んだりすると、状況は少し異なります。太陽光はほぼ水平に大気圏に入り、太陽光に含まれる青い光はレイリー散乱によって目に見えない角度に散乱されます。そのため、空は美しいオレンジレッド色で印刷されます。太陽の位置と観測する場所の未知の変化により、空も非常に美しい色のグラデーションとして現れます。

太陽が昇り、角度がどんどん高くなるにつれて、青い光が空を占め始め、空はオレンジがかった赤から青に変わります。

太陽が沈むにつれて、角度がどんどん低くなり、赤とオレンジ色の光が空を満たし、空は非常に美しい夕焼けで輝きます。この時期の太陽自体も、ふっくらとした塩漬けのアヒルの卵のように、特に赤く見えます。

ここで、波長の短い光はより激しく散乱するので、青色光よりも波長の短い紫色光はどうなるのかと疑問に思うかもしれません。少し波長の長い緑色の光はどうでしょうか?

実は、これは人間の目と脳の構造に関係しています。実際、空には青い光よりも紫色の光がはるかに多く散乱していますが、残念ながら人間の目ではそれを認識できません。人間は3色型で、3つの色の錐体と単色の桿体を持っています。

私たちが色信号を受け取ると、脳はそれを自動的に分析し、色と照合して、その色を理解します。私たちの目は、紫色の光よりも、青、シアン、緑の光に強く反応します。私たちは紫色の光をより多く見ていますが、その光に対して敏感ではなく、受信する信号強度は青色光の信号強度を抑制するほど強くありません。

したがって、私たちの脳は、見る空を優先的に青として処理します。

言い換えれば、私たちが紫色の光に対してより敏感であれば、私たちが見る空は実際に紫色であり、その光景は少し魔法のように見えるかもしれません。

さらに、緑色の光と赤色の光を比較する場合にも同じ理由が当てはまります。人間の視覚システムでは、赤色光と緑色光が同時に存在する場合、緑色光をうまく区別することができません。代わりに、脳はこの色を黄色として処理します。

そして、朝や夕方には赤色の光よりも緑色の光がより多く失われるため、調整後、私たちが見る空は、おなじみのオレンジがかった黄色またはオレンジがかった赤色になります。

つまり、脳に映る色は光の波長に直接対応するわけではなく、私たちの視覚にはさらなる処理が必要なのです。

青い空についての真実は、空がすべて青いわけではなく、私たちの脳が空を大部分が青く見えるようにしているだけであるということです。

制作 |科学普及中国