なぜ空は青いのか？

今回はよく大学演習で問われる演習問題について答えていきたいと思います。

空はなぜ青いのか？

レイリー散乱の散乱係数ksは次式で表せる。

（nは粒子数、dは粒子径、mは反射係数、λは波長）

この式から波長が短いものほど散乱されやすいことから、青色は赤色よりも多く散乱されることがわかる。しかし、もし気体分子が完全に均一でランダムに存在していたら、散乱光は全く観測されず、空は暗くなる。これは、各分子で散乱されたすべての球面波を積分すると、前方方向以外は消えてしまうためである。

今回は実際に起こっているとされているマクロな散乱を説明する。溶媒中のゆらぎを考慮しなければならない。ゆらぎは気体分子がそれぞれ全くでたらめな働きをしているため、絶えず大気の密度に生じている。このため媒質中の各点の密度ととともにゆらぐ。そのため散乱光の積分が前方以外にも残ることになる。これがマクロ散乱として観測される。

空気中には、酸素や窒素などの気体分子が多く存在している。空が青く見えるというのは、空気中の来た分子に当たった太陽光が、青色の光を散乱しているからである。