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空はなぜ青いのか?

概要

  • 空の色は 光の波長 によって決定
  • 青い空は 大気中分子による散乱 が主因
  • 夕焼けや火星の空は 粒子による吸収や散乱 が影響
  • 雲は 水滴による全色の反射 で白く見える
  • 人間の視覚特性や大気成分で 見える色が変化

空の色はなぜ決まるのか

  • 物体の色は、 目に届く光の波長 による決定
  • 実際には「純粋な波長」だけでなく、 複数の波長の組み合わせ が脳で単一の色として認識
    • 例:ターコイズ色は500nmの光、470nm+540nmの組み合わせ、または広範な波長のピークで感じる
  • 太陽光が大気に入射すると、 青色光(短波長)が他より多く散乱
  • 青色光は大気中で 四方八方に拡散 し、どの方向を見ても青色光が目に届くため、空が青く見える

なぜ青色が特別なのか

  • 青や紫の光は、 N2やO2分子の電子雲の共鳴周波数 に近い
  • 光子が分子に近づくと 電子雲が振動 し、共鳴周波数に近いほど振動が大きくなる
  • 振動が強いほど 光子は進路を変えやすく(散乱) なる
  • 散乱は 光の周波数の4乗に比例 して増加(紫は赤の10倍散乱しやすい)

空が紫に見えない理由

  • 紫色光は青より さらに強く散乱 するが、人間の目は紫に あまり感度がない
  • 可視光の最も高い周波数=紫色が 視覚の限界 で、十分に感じ取れない
  • もし紫色を青と同じ感度で見えれば、空は紫に見える
  • 紫外線(UV)は太陽からの放射量が少なく、 オゾン層で吸収される ため地表に届かない

夕焼けが赤い理由

  • 夕方や朝は、 太陽光が大気中を長距離通過
  • 青や緑の光は途中で ほとんど散乱・消失
  • 赤い光は 散乱しにくく、直進 して目に届く
  • これにより 赤い夕焼けや朝焼け が生まれる

雲が白い理由

  • 雲は 多数の小さな水滴 の集まり
  • 水滴はプリズムのように 全ての色を様々な方向に反射・散乱
  • すべての波長が混ざって 白色に見える
  • 水滴が大きいほど 虹や光の分散 も発生

火星の空が赤い理由

  • 火星大気は 鉄分を含む微細なダスト粒子 が多い

  • これら粒子は 青や紫の光を吸収 し、赤い光だけが散乱

  • 固体粒子は分子より 広範な波長を吸収 しやすい

  • 青や紫の光は、 電子状態を励起するのに十分なエネルギー を持つため吸収されやすい

  • 結果として、 火星の空は赤く 見える

    • 地球でも 煙や砂塵 が多いと同様の現象で空が赤みを帯びる

まとめ

  • 空や雲、火星の空の色は 光の波長・大気成分・粒子サイズ、そして 人間の目の特性 で決まる
  • 小さな分子は 青系の光を強く散乱、大きな粒子や水滴は 全色を反射・散乱
  • 固体粒子やダストは 青系を吸収し、赤系を残す ため空が赤くなる

Hackerたちの意見

面白いのは、実はほとんどの青い蝶は色素を持っていないってこと。光のトリックなんだよね。青は生物界ではすごく珍しい色だから(本物の青い化学物質を作れる植物や動物はほとんどいない)、構造色に進化したんだ。彼らの羽には、青い光を反射しながら他の色を打ち消す微細な隆起があるんだよ。空が青く見える理由と基本的には同じで、それが羽に組み込まれている感じ。もし羽を違う角度から見たり、濡らしたりすると、青が消えちゃうことが多いんだ。物理的な構造をいじってるからね。

蝶だけじゃなくて、鳥もそうだよ!でも、こういう構造色の進化を促した選択圧は何だったんだろう?おそらく、目立つための信号、つまり地味でカモフラージュする色の逆だね。それに、みんなが知ってるように、青い目は色素(ユーメラニン)が足りない結果なんだ。虹彩は半透明だけど、レイリー散乱によって青い光子が優先的に後方散乱されるんだ。緑の目は色素が少しあって、茶色と青の混合になってる。

これも、クアルコムが2004年末に買収したイリディグムが使っていたトリックなんだよね(その時、俺もいた)。

じゃあ、夕焼けの例で言うと、自然に思う疑問は、青い空から赤い夕焼け空に移行する時になんで空が緑にならないのかってことだね。

空の色は、単一の波長が変化するのではなく、波長の混ざり合いによって決まるからだよ。基本的に、スペクトルから青を「取り除く」散乱プロセスは、緑も取り除くんだけど、そっちは少しだけ。夕焼けの空には緑がかったり黄色がかった波長もあるけど、赤が支配的だから、全体的には赤やオレンジに見えるんだ。空がはっきりと緑に見えるためには、赤と青を散乱させて、緑をあまり吸収しない何かが必要なんだ。もしグラフィックソフトで空の青とオレンジの間を補間しようとすると、結果は使っている「色空間」によって変わるよ。ソフトが色相に基づいて補間するなら、真ん中に緑(または紫)が見えるかもしれない。でも、それは物理的にはリアルじゃない。リアルなモデルは、連続スペクトルの各波長を別々に補間することなんだ。RGB色空間で補間するのは、その粗い近似に過ぎないよ。そして実験してみると、空の青とオレンジの中間は緑じゃなくて、どちらかというと泥っぽい茶色なんだ。

君の直感は間違ってないよ。緑の重みが波長の合計に対して局所的な最大値を持つ角度はあるんだ。でもそれが支配的ではない。あの移行ゾーンでは、赤い波長と青い波長が重なり合っていて、緑と一緒に加わっているからね。だから赤が見えて、赤と緑の移行(オレンジ、黄色)に入って、さらに緑と青の移行(シアン)に入るんだけど、そこは赤や黄色のゾーンに比べて光子が少ないから、暗いシアンになって、最終的には夜空の暗い青に溶け込んでいくんだ。

緑の空は見られないけど、少なくとも夕暮れ時に「グリーンフラッシュ」という気象光学現象があるよ。それを見るには、何を探しているのかを知っておく必要があるし、良い条件も必要だと思う。

それがあるかもね - https://en.wikipedia.org/wiki/Green_flash

『カッコウの卵』でクリフ・ストールは、自分の天体物理学の博士論文の口頭試問のエピソードを語っている。たくさんの人が質問するけど、一人の教授は最後まで待って…「『クリフ、ひとつだけ質問があるんだ』って、エーバーハルト・ファーバーをかき分けながら言うんだ。『なんで空は青いの?』」俺の頭は完全に真っ白。全く分からない。窓の外を見て、火を見つめる原始的なネアンデルタール人のように、ただ驚いている。何か言わなきゃと思って、無理に言葉を絞り出す。「散乱光です」と答える。「ああ、そう、散乱した太陽光ね。」『もう少し具体的に言える?』うーん、どこからか言葉が出てきた。自己防衛の本能からだろうね。太陽光のスペクトルや、上層大気、光が空気の分子とどう相互作用するかについて話し始めた。「もう少し具体的に言える?」空気分子の双極子モーメントや、光の波動粒子二重性について説明しながら、黒板に方程式を書きなぐって…「もう少し具体的に言える?」1時間後、俺は汗だく。彼のシンプルな質問、5歳の子供の質問が、振動子理論、電気と磁気、熱力学、さらには量子力学を結びつけてしまった。俺が苦しんでいる間も、彼を尊敬していたよ…」

「もう少し具体的に言ってくれますか?」は、その人が何を知っていて、どう考えているかを知るのにいい質問だよね。知識の性質や言語の限界から、答えにはいくつかのブラックボックスがあるから。「もう少し具体的に」とは、要するにそのブラックボックスを詳しく説明してほしいってこと。例えば、「Javaはどう動くの?」って聞くようなもので。もし十分な知識があれば、「JVMがJavaバイトコードを解釈する」から、いろんな部分がどう働くかについて深く掘り下げられるよ。

ちょっと生物学の話も必要だね。私たちの目は周波数に対してフラットな反応を持ってないから、青に対しては紫より敏感なんだ。紫は青よりもさらに散乱しちゃうし、紫の光は色の知覚にも影響を与える。でも、紫にもっと敏感な光受容体があったら、もっと影響が大きくなるんだけど、実際にはそうじゃないから、結果的な知覚色は光の強度だけじゃなくて、私たちの特有の生物学にも依存してるんだ。トリタノピア(青-黄色盲)の人は青に敏感なコーン(Sコーン)がないから、彼らには青が見えないんだよね。それに「青」という言葉の言語的な歴史や、英語が「青」じゃなくて「blue」を使う理由、質的経験や色を知覚することの意味についての疑問もあるし。

これからの第一世代の人間たちが、全ての質問に正しく答えられて、彼らが最も理解しやすい方法で、好きなだけ質問できるようになることにワクワクしてるよ。これが何を可能にするのか、楽しみだね。

すごく面白い記事だね!ちょっと脱線するけど、>「散乱」は、分子が光子を偏向させるための科学用語なんだ。言語的には、ちょっと不一致に使われることがあるよね。「青い光は散乱しやすい」とか(主語は光)、「大気中の分子が青い光をより散乱させる」とか(主語は分子)って感じで。どちらにしても、意味は同じだよ。これには曖昧さや不一致はない。英語では、動詞が主語に加えて一つ以上の目的語を取ると、他動詞になる。「アンナは本を持っている」の「持っている」は他動詞だよね。「カエルが跳ねる」の「跳ねる」は自動詞で、目的語を取らない。英語には「両用動詞」と呼ばれる動詞のカテゴリーがあって、自動詞の主語が他動詞の目的語になることもある。* 自動詞: 鐘が鳴った。* 他動詞: ジョンが鐘を鳴らした。「散乱」は単に両用動詞なんだ。* 自動詞: 青い光が散乱する。* 他動詞: 大気中の分子が青い光をより散乱させる。

今日学んだこと!両用動詞と可変動詞についての説明をサイドノートに追加するべきかどうか議論中。

こういう動詞はたくさんあって、英語はそういう使い方に対して比較的オープンだよね。英語を話す人たちは、200年、300年前に「この小説は読みやすい」と言ってたのかな?

クラムスチーマーとエビチャーハンもやってみて。

これについてずっと疑問に思ってたんだ。第一人称の動詞は「見る」だよね。第三人称には「見せる」ってあるけど、第一人称には「聞く」ってのがある。英語には第三人称の「聞く」に相当する言葉はないのかな?ゲルマン語や北欧の言語ではどうなんだろう?彼らには「聞く」の第三人称の対応語があるのかな?

それは、沈む太陽や昇る太陽が赤い理由だけじゃなくて、空高くにある時に黄色く見える理由でもあるんだ。大気のベールの外から見ると、太陽は黄色く見えないよね。

これは素晴らしかった。レイリー散乱を超えた内容だったね。このトピックについては、この素晴らしい学部生向けの物理講義のデモを見てみて!

太陽と色に関して、関連はあるけどもっと深い質問があるんだ。宇宙の太陽光は白と見なされているけど、地球の表面に届くと暖かい色と見なされる。進化の過程で大気なしで太陽光を見たことがない人間の目が、どうしてそれを真の白と考えるのか、そして冷たい色とは見なさないのか?

ここで考慮すべきなのは、人間の目が色をどう見るかってことだよね。各波長が完璧に拾われて伝達されるわけじゃないんだ。(基本的なことは飛ばして、一般論を使うね)目の中のコーン細胞は特定の周波数範囲に反応する。つまり、人間の目が識別できる周波数の極端に低いか高いところにない限り、2つか3つのコーンタイプが反応することになる。その反応の強さが、脳が見る色を解釈するために使うものなんだ。実際の問題は、宇宙では太陽光の減衰がないから、すごく明るいってこと。めちゃくちゃ明るい。全てのコーンとロッドが一度にオーバーロードされちゃって、「あ、ここにはもっと高い波長があるから、いつもより青く解釈しよう」って脳が信号を見つける方法がないんだ。全ての信号が最大になっちゃうから、白になる。絶対的な意味で青が多くても、低い周波数と中間の周波数も最大になってるから関係ないんだよね。

表面的には暖色と見なされるのかな?晴れた日の真昼の太陽はすごく白くて、色温度は5k-6kの範囲だよ。明るすぎて、どれだけ白いかを感じるのが難しいんだ。実際、表面の色温度は宇宙空間よりも高いこともあるんだよ!これを「暖かい」電球と比べると、だいたい2.5Kくらい。日の出や日の入りもそのくらいの範囲だね。もしかしたら「暖色の太陽」って考え方は、人々が直接見られる唯一の時間、つまり日の出や日の入りから来てるのかも。

空は青くないよ。透明なんだ。それが、夜に青くない星が見える理由だよ。太陽光が正しい角度で当たると青く見えるけど、空が青いって言うのは、バケツの水が明らかに緑じゃないのに海が緑だって言うようなもんだ。

three.jsで大気シェーダーを実装するのは、異なる散乱成分、光、観察者の位置の相互作用を理解するのに楽しい方法だよ。それに、終わった後に遊べるクールなエフェクトも得られるし。

ってことは、ちょっと待ってね、空気って青いってこと?