なぜ？どうして？空や光の不思議を科学で読み解く！

空が青く見えるのはなぜ？

光の散乱「レイリー散乱」の仕組み

　空が青く見える最大の理由は、太陽の光が大気中の微細な分子（主に窒素や酸素）にぶつかって様々な方向に散らばる「レイリー散乱」にあります。太陽の光は一見白く見えますが、実は赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の7色（いわゆる虹の色）で構成されています。

　このうち、波長が短くエネルギーの高い青や紫の光は、大気中の分子にぶつかりやすく、四方八方に強く散乱します。ただし、紫の光は人間の目ではあまり感じ取れないため、最も強く感じる青色が空に広がって見えるのです。

青空の濃さは天気や空気の状態で変わる

　毎日見上げる空の青さは、気象条件によって微妙に異なります。空気が澄んでいて乾燥している日は、レイリー散乱が支配的になり、濃く鮮やかな青空になります。一方、湿度が高く、水蒸気やチリ、PM2.5などの粒子が多いと、「ミー散乱」という別の散乱も起こりやすくなります。ミー散乱は波長にあまり依存しないため、空が白っぽく霞んで見えるのです。

夕日はなぜ赤く見えるのか？

太陽光が通る距離が長くなるから

　夕方や朝方、太陽は空の低い位置にあり、太陽光が私たちの元へ届くまでに、大気を長い距離通過します。この間に、波長の短い青や緑の光は何度も散乱されてしまい、ほとんど届かなくなります。

　逆に波長の長い赤や橙の光は散乱されにくいため、地上に届きやすく、空が赤く見えるのです。

大気の状態でも色が変わる

　夕焼けの色は、大気中のちりや水蒸気、あるいは火山灰や黄砂の量によっても変化します。粒子が多ければ、より多くの青い光が散乱・吸収され、夕日が濃い赤やオレンジに見える傾向があります。

このように、夕焼けの色は単なる美しい現象ではなく、大気の状態や天気の変化を示すサインにもなっているのです。次に夕焼けを見たときは、その科学的な背景を思い浮かべながら楽しんでみてください。

【豆知識】「朝焼けは雨、夕焼けは晴れ」ということわざは、西の空に夕焼けが見える＝乾燥した空気で雲が少ない＝晴れ、と解釈できます。

虹はどうやってできるの？

水滴がプリズムのような働きをする

　虹は、空気中の水滴に太陽光が差し込むことで生まれる現象です。光は水滴の表面で屈折し、内部で反射され、再び外へ出る際にもう一度屈折します。このとき、光は波長の違いによって異なる角度で曲がり（分散）、七色に分かれて見えるのです。

虹の色の順番は、一般的に赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の七色ですが、文化によって異なる場合もあります。例えば、アメリカでは「ROYGBIV（ロイ・ジー・ビブ）」という覚え方があり、日本の順番とほぼ同じですが、藍色を特別な色として扱うかどうかが違うことがあります。

虹の形成には科学的な法則があり、スネルの法則によって光の屈折率が決まります。波長の短い紫色の光は大きく屈折し、波長の長い赤色の光はあまり屈折しないため、虹の外側が赤く、内側が紫になるのです。

このように、虹は単なる美しい自然現象ではなく、光の物理的な性質が生み出す奇跡ともいえます。次に虹を見たときは、その仕組みを思い出しながら楽しんでみてください。

角度と観察位置が大事

　虹を見るには、太陽を背にし、前方に水滴が存在することが条件です。また、太陽光が水滴から目に届く角度が約40〜42度である必要があり、太陽の高度が高い昼間は虹が見えにくく、朝夕が観察に適しています。

雷はなぜ鳴るのか？

雲の中の電気のたまり方

　雷は、積乱雲の中で発生した静電気が放電することで発生します。氷の粒が衝突することで正負の電荷が分かれ、雲の上部にはプラス、下部にはマイナスの電気がたまります。電位差が大きくなると空気の絶縁を超えて電流が流れ、稲妻（雷光）が走るのです。

音はあとから聞こえる

　稲妻が発生した瞬間、光は秒速30万kmで届きますが、音は秒速340m程度。そのため光が先に見え、音は遅れて聞こえます。この時差を数えることで、雷の距離を「3秒で約1km」と計算できます。

　雷鳴の「ゴロゴロ音」は、空気が急激に加熱・膨張して起こる衝撃波が耳に届いたものです。

　雷は自然の壮大なエネルギーの一つであり、1回の雷で約400kWhの電力が発生するとも言われています。これは一般家庭の1か月分の電力に匹敵するほどのエネルギーです。

　雷の仕組みを知ることで、より安全に対策を取ることができます。雷が近づいた際は、屋内に避難し、金属製のものに触れないなどの注意が必要です。次に雷を見たときは、その科学的な背景を思い出しながら観察してみてください。

オーロラが生まれる仕組み

太陽風と地球のバリアの攻防

　オーロラは、太陽から放たれる電気を帯びた粒子（太陽風）が地球の磁場とぶつかり、極地の上空で大気中の原子と衝突することで発光する現象です。

　太陽風の粒子が地球の磁力線に沿って極地方向に引き寄せられ、大気中の酸素や窒素と衝突。この衝突によって励起された原子が元に戻る際に放出する光が、オーロラとなって夜空を彩ります。

極地でしか見えない理由

　オーロラが極地でしか見られない理由は、地球の磁場の構造にあります。地球の磁場は赤道付近では水平ですが、極地では垂直に近いため、太陽風の粒子が極地に集中します。そのため、オーロラは北極圏や南極圏のような高緯度地域でしか見られないのです。

　さらに、太陽風の強さや地球の磁場の変化によって、オーロラの活動が活発になることがあります。特に、磁気嵐が発生すると、オーロラが通常よりも広範囲で観測されることがあり、まれに中緯度地域でも見られることがあります。

　オーロラは、宇宙と地球の関係を示す壮大な自然現象の一つです。次にオーロラを見たときは、その科学的な背景を思い浮かべながら楽しんでみてください。

まとめ：自然現象は「知る」ともっと美しい