大気の散乱と空の色
空の青さや夕焼けの赤さ、遠くの景色がかすむ様子など、大気の見え方には光の散乱が深く関わっている。その仕組みを理解するうえで重要なのが、レイリー散乱とミー散乱。光の波長に対する粒子の大きさによって、散乱されやすい色や光の広がり方が異なる。
レイリー散乱（Rayleigh Scattering）
光の波長よりもはるかに小さい粒子（空気中の窒素や酸素の分子など）に光が当たるときに起きる散乱。
- 特徴: 波長が短い光（青や紫）ほど強く散乱され、波長が長い光（赤や橙）は散乱されにくい。
- 具体例:
- 昼の空が青い理由: 太陽光に含まれる色のうち、波長の短い青い光が空気中の分子によって強く散乱され、空のさまざまな方向から私たちの目に届くため。
- 夕焼けが赤い理由: 夕方は太陽が低くなり、太陽光が大気中を通過する距離が長くなる。青い光が途中で強く散乱され、直接届く光では赤や橙の光の割合が高くなるため、太陽やその周囲の空、照らされた雲が赤く見える。
強さを変えるとどうなるか
ここでは粒子の大きさではなく、散乱の強さ（散乱係数）を変える場合を考える。太陽の高さや、ミー散乱などの条件は同じとする。
| 見え方 | 小さくすると | 大きくすると |
|---|---|---|
| 昼の空 | 青い散乱光が減り、空は暗くなる傾向がある | 青い光がより多く散乱され、空の青い散乱光が増える傾向がある |
| 夕方の太陽光 | 青い成分が残りやすくなり、赤みが弱まる | 青い成分が途中で失われやすくなり、赤や橙が強まりやすい |
| 遠くの景色 | 青みがかったかすみが弱まり、遠景がくっきり見えやすい | 大気による青みがかったかすみが強まりやすい |
ただし、強くするほど際限なく青く、明るくなるわけではない。散乱が非常に強い場合は、光の減衰や繰り返しの散乱も影響する。逆に、レイリー散乱をなくすと、空の青さを生む分子による散乱光もなくなる。
ミー散乱（Mie Scattering）
光の波長と同程度以上の大きさの粒子（雲の水滴や、大気中に浮かぶちりなど）による散乱を説明するときに用いられる理論。厳密には、球形の粒子による光の散乱を扱う。
- 特徴: 散乱の強さや方向は、粒子の大きさや性質、光の波長によって変わる。雲の水滴のように可視光の波長より十分に大きい粒子が集まっている場合は、色による散乱の差が小さく、太陽光のもとでは白っぽく見える。また、光がもともと進んでいた方向（前方）に強く散乱する傾向がある。
- 具体例:
- 雲や霧が白い理由: 雲や霧を構成する水滴は、一般に可視光の波長より十分に大きい。赤から青までの光がほぼ同じように散乱されるため、白く見える。
- 空がかすんで見える理由: 大気中に浮かぶ微粒子（エアロゾル）が光を散乱すると、遠くの景色のコントラストが下がり、かすんで見える。ただし、粒子によっては光の吸収も影響し、必ずしも白く見えるとは限らない。黄砂が多いときには、空が黄褐色に見えることもある。
強さを変えるとどうなるか
ここでも粒子の大きさではなく、散乱の強さ（散乱係数）を変える場合を考える。粒子の性質や太陽の高さ、レイリー散乱などの条件は同じとし、白っぽいかすみを生む粒子を想定する。
| 見え方 | 小さくすると | 大きくすると |
|---|---|---|
| 空全体 | 白っぽいかすみが減り、レイリー散乱による青空が目立ちやすくなる | 白っぽいかすみが増え、空の青さが目立ちにくくなる |
| 太陽の周囲 | 明るいにじみが弱まる | 太陽の周囲に広がる明るいにじみが強まりやすい |
| 遠くの景色 | コントラストが上がり、遠景がくっきり見えやすい | コントラストが下がり、遠景がかすんで見えやすい |
非常に強くすると、太陽光が途中で遮られ、太陽の周囲も暗くなることがある。また、粒子の大きさや性質を変える場合は、かすみの色や光が散らばる方向も変わるため、この対比だけでは説明できない。