海はどうして青いの？
コップの水は透明なのに、海は青い。光が水の中を進む道の長さが、ヒントだよ。
まず、ひとことで
水は赤い光を吸収しやすく、青い光が残りやすいから。
水は、色によって光の通し方がちがう
太陽の光には、いろいろな色がまざっているんだ。水は、その中の赤い光を吸収しやすい性質を持っているんだ。光が水の中を長く進むと、青い光が残りやすくなるんだ。
色を選びながら通すフィルターを思いうかべると、分かりやすいかもしれないね。ただし、水の中に本物の色フィルターが入っているわけではないんだ。
コップと海では、光の旅の長さがちがう
コップの中では、光が水を通る道は短いね。海では、光がもっと長く水の中を進むことがあるんだ。
短い道では気づきにくい色のちがいも、長い道では大きくなるんだ。海が青いのは、空の色を映しているだけではないんだよ。
赤い光のほうが吸収されやすく、青い光が残りやすい関係を表した図だよ。矢印の終わる場所は実際の深さを示していないよ。外へ出て目に届くまでの散乱や反射は省略しているんだ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図緑の海や、暗い海もある
水の中に浮かぶ小さなつぶなどによって、海は緑や赤っぽく見えることもあるんだ。見た目の色だけで、水がきれいかどうかを決めることはできないんだ。
また、光は水の中を進むうちに弱くなるんだ。深い海には太陽の光がほとんど届かないんだ。海面が青く明るくても、海の中が全部明るいわけではないんだよ。
同じ「青」でも、空では光が散らされること、海では光が吸収されることが大切。似た景色に、ちがうしくみがかくれているんだ。
まずは、水の中へ入る光と戻る光を分けよう
海を見るとき、太陽の光は水面に届き、その一部は水の中へ進んでいくよ。そして海の中で進む向きを変える光などが、外へ出てきてきみの目へ届くんだ。海の色を考えるには、水に入る前と、水の中を通った後で、光の色の組み合わせがどう変わるかを追いかけるとよいよ。水中に青い絵の具があると想像する必要はないんだ。
ここで大事なのが吸収。水はすべての色の光を同じ通しやすさで通すわけではなく、赤い側の光を吸収しやすいんだ。だから、長い道を通った光には、もとの光と比べて残りやすい色と、残りにくい色があるよ。青く見える理由は、この色ごとの違いとつながっているんだね。
ただし、「青い光が残る」と言っても、水中で永遠に青い光だけが進み続けるという意味ではないよ。光は水の中を進むうちに弱くなるんだ。色の割合と、光全体の明るさは別々に考えてみよう。少しの光でも青が目立つ場合と、そもそもほとんど光が届かない場合を分けるのがポイントだよ。
散乱・吸収・映りこみは、別の仕事
散乱は光がいろいろな方向へ進むようになること。吸収はここでは光が水などに取りこまれること。そして水面の映りこみは、表面で反射した光が目へ届くことと関係するよ。どれも海の見え方に関わりうるけれど、同じ名前でまとめてしまうと、何が起きたかが分かりにくくなるんだ。
たとえば、静かな水面に空が映っていたら、空から来た光が水面で向きを変えたことを考えるよ。一方、水そのものが長い光の道で赤い光を吸収しやすいという話では、水の中を通る光に注目しているんだ。「水面で起きること」と「水の中で起きること」を分けて描くと、二つの説明がけんかしなくなるね。
だから「空が青いから海も青い」という答えには、景色の一部分を説明できる場合があっても、それだけでは水の性質を説明しきれないんだ。逆に、空の映りこみが一切ないと決めるのも言いすぎだよ。一つの答えを選ぶ前に、どの光の道を調べているかを確かめることが大切なんだ。
コップと海を比べるとき、何をそろえる？
コップの水と海を比べると、大きさだけでなく、深さ、下にあるもの、まわりの景色、水中のつぶなど、いろいろな条件が違うね。光の道の長さの効果を考えたいのに、違いを全部まとめて「大きいから青い」と答えると、何が理由かを十分に説明できないよ。まずは比べたい条件を一つ選んでみよう。
頭の中の簡単な実験では、同じ性質の水と同じ入射光を用意し、光が水の中を通る道だけを長くする、と考えてみるんだ。すると、短い道では気づきにくかった色ごとの通りやすさの差が、長い道では目立ちやすくなるよ。現実の海の条件を全部そろえるのは難しいから、図で条件を整理するのが役立つんだ。
図の矢印が途中で薄くなるのは、光の量が減ることを表す約束だよ。赤い矢印が消える位置を、本物の海で赤が突然なくなる深さだと思わないでね。吸収の程度は連続的に変わり、条件によっても違うんだ。分かりやすい絵ほど、省略していることがあると知っておくと、図を正しく使えるよ。
同じ水でも、光が通る道が長いほど色ごとの吸収の違いが目立ちやすくなるよ。コップと海を考えるための比較図で、実際の色や距離をそのまま写したものではないよ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図海の色を調べる人になってみよう
海の写真を二枚選び、「水の色」「空の様子」「底が見えるか」「浮かぶものが見えるか」を書き出してみよう。違う色を見つけたら、すぐに原因を一つに決めず、考えられる条件をいくつか並べてみてね。写真は見た目の手がかりをくれるけれど、水に何がどれだけ含まれるかをすべて教えてくれるわけではないんだ。
深い海が暗いという話も、水面の色とは分けて考えよう。NOAAは、海では200メートルより深い場所に十分な太陽光が届くことは少なく、さらに深くなるとごくわずかになると説明しているよ。水の状態などで変わるため、「どんな海でも同じ深さで急に暗くなる」という境目ではないんだ。
海の青を一言で説明した後は、「水は色によって光を吸収する程度が違う」「長い道ほど違いが積み重なる」「水面や水中のつぶも見え方に関係する」の順に話してみよう。青い海の写真を見て終わりにせず、その色が目へ届くまでの旅を考えると、空の記事とのつながりも見えてくるよ。
空と海を、光の道でくらべてみよう
空の青では、空気のつぶが光の向きを変える「散乱」が大きな役目をしていたね。海の青を考えるときは、水が赤い光を吸収しやすいことに注目するんだ。同じ青でも、説明の主役が少しちがうよ。
ただし、実際の海の景色には、空の映りこみ、水中のつぶ、光の散乱も関係しているんだ。「海の青は吸収だけで全部決まる」と覚えるのではなく、どの条件を考えているかを意識してみよう。
どっとと考えよう：青い水は、きれいな水？
問いは「写真で青く見える海なら、安心して飲めると分かるかな？」。色から分かることと、色だけでは分からないことを分けてみよう。
答えは、色だけでは飲めるかどうかは決められない、だよ。水の色の説明と、安全性の確認は別の問いなんだ。見た目で調べられる性質があっても、それが全部の性質を教えてくれるわけではないよ。
もう一つの問い。「コップの水が透明なら、水には光の色を選ぶ性質がない？」。こちらの答えも、そうとはいえないんだ。光の通る道が短いと、色の変化に気づきにくいからだよ。性質がないことと、変化が小さく見えることは、分けて考えよう。
ことばのメモ
- 吸収（きゅうしゅう）
- ここでは、光が水に取りこまれること。
- 粒子（りゅうし）
- 水の中などにある、小さなつぶ。
もとになった資料・もっと知りたい人へ
下記の資料をもとに、説明と考える問題を独自に構成しています。外部資料には英語のページもあります。どっとの画像は案内用のイラストで、観測写真や科学的な図ではありません。
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