なぜ空は青いのか——光の散乱と、夕焼けが赤い理由

波長の短い青い光ほど大気の分子に強く散乱されるレイリー散乱の図

空気は透明で、太陽の光は無色（白）に見える。なのに、見上げた空は一面の青。透明なものと無色のものから、どうして色が生まれるのか。この素朴な疑問の答えは、「光は波長によって散らばり方が違う」という一点に尽きる。昼の青空も、夕方の赤い空も、まったく同じ原理の表と裏だ。

太陽の光は「白」＝全色の混合

まず前提から。太陽の光は無色に見えるが、実は赤から紫まで、あらゆる色（波長）の光が混ざり合った「白色光」だ。プリズムや虹で七色に分かれるのは、もともと全部入っているからにほかならない。色の違いは波長の違いで、赤い光は波長が長く、青や紫の光は波長が短い。

大気は窒素や酸素の分子でできている。これらは光の波長よりずっと小さい。光の波長よりも小さな粒に光が当たると、光は四方八方へ散らばる。この現象をレイリー散乱という。

レイリー散乱の肝は、散らばりやすさが波長で大きく変わることだ。散乱の強さは波長の4乗に反比例する。つまり波長の短い光ほど桁違いに強く散る。青い光（短波長）は赤い光（長波長）よりずっと激しく散乱される——ざっくり言えば、青は赤の数倍も散らばりやすい。

太陽が高く昇った昼間、私たちの目に「空そのものから」届くのは、大気のあちこちで散乱されて方々から飛んでくる光だ。そのうち最も強く散らばっているのが青い光。だから空全体が青く染まって見える。

「では、もっと波長の短い紫はどうした？」という鋭い疑問もある。実は紫はさらに強く散乱されるのだが、太陽光に含まれる紫成分がもともと少ないことと、人間の目が青により敏感なことが重なって、結果として空は「青」に見える。理屈の上では空はうっすら紫がかった青、というのが正直なところだ。

同じ原理が、夕焼けの赤も説明する。夕方は太陽が地平線近くに来るため、光が大気の中を通る距離がぐっと長くなる。長い道のりを進むうちに、散乱されやすい青い光は途中で散り尽くしてしまい、目には届かなくなる。残って真っ直ぐ届くのは、散乱されにくい赤や橙の光だけ。だから夕日も、その周りの空も赤く燃える。

青空と夕焼けは、別々の現象ではない。「短い波長ほど強く散る」というたった一つのルールを、太陽の高さ（＝光が通る大気の長さ）の違いで眺めているにすぎない。次に空を見上げたら、そこで無数の分子が青い光を跳ね返している様子を思い浮かべてほしい。