空はどうして青いの？

1白い光の中には、いろんな色！

虹には赤や青などの色がならんでいるね。太陽の光にも、いろいろな色の光がまざっているんだ。まざると、白っぽく見えるんだよ。

光は、波としての性質を持っているんだ。波の山から次の山までの長さを「波長」というよ。赤い光は波長が長く、青い光は短いほうだよ。

2空気のつぶが、光の向きを変える

空気には、目に見えない小さなつぶがあるんだ。光がこのつぶによって、いろいろな向きに進むことを「散乱」というよ。青い光は、赤い光よりも強く散らされるんだ。

だから、太陽のないほうを見ても、散らされた青い光が目に届くんだ。これが、晴れた昼の空が青く見える大きな理由だよ。

紫の光も強く散らされるんだ。それでも空が紫に見えないのは、太陽の光にどの色がどれくらいあるかや、人の目が感じやすい色も関係するからだよ。

3夕方には、光が長い道を通る

夕方、太陽は空の低いところに見えるね。その光が目に届くまでには、昼よりも長く空気の中を進むんだ。

途中で青い光がたくさん散らされると、太陽のほうから届く光には、赤やオレンジが目立つようになるんだ。青空と夕焼けは、同じ光のしくみでつながっているんだよ。

今度は、昼と夕方の空を見くらべてみよう。太陽を直接見ないようにして、空の色のちがいを探してみてね。

4色を考えるときは、目に届くまでを追いかけよう

きみが青い空を見上げたとしよう。そのとき目が受け取っているのは、空のどこかに塗られた青い色ではなく、そこから届く光なんだ。だから空の色の謎を解くには、光がどこを出発し、何に出会い、どちらへ進むかを順番に考えるとよいよ。出発点は太陽。途中にあるのが地球を包む空気。そして最後に、光を受け取るきみの目があるんだ。

太陽のある方向を直接見なくても、昼間の空は明るく見えるね。太陽から出た光の一部が、途中で進む向きを変えて、いろいろな方向から届くためだよ。もし光が一度も向きを変えずに太陽からまっすぐ進むだけなら、太陽のない方向から来る青い光を、この説明では用意できないね。いつもの景色にも、光の向きを変える働きのヒントがあるんだ。

ここで「空気のつぶ」と呼んでいるのは、空気を作るとても小さな分子などのこと。ほこりのように、目で一つずつ数えられる大きさのものだけを指すわけではないよ。下の図では、見つけやすくするためにつぶを大きく描いているんだ。本物の大きさの比や、光が通る道の本数をそのまま写した絵ではないことも覚えておこう。

5赤と青の波を、同じ長さの紙に描いてみる

波長を想像するなら、同じ幅の紙に、ゆったりした波と細かい波を描いてみよう。どちらも波だけれど、山から次の山までの間隔は違うね。この間隔に注目するのが波長の考え方だよ。光の波は水面の波とまったく同じものではないけれど、間隔の違いを考えるためのたとえにはなるんだ。

赤い光より青い光のほうが波長が短い、というのは「青い光が小さな青い玉だから」という意味ではないよ。また、光の線を青いペンで描いたから、その線が本物の光になったわけでもないね。図の色や波の線は、目に見えにくい性質を表すための約束なんだ。何を記号に置き換えたのかを知ると、科学の図が読みやすくなるよ。

空気の小さな分子による散乱では、短い波長の光ほど強く散らされるという違いが大切なんだ。赤い光がまったく散らされないわけでも、青い光が全部途中で止まるわけでもないよ。「どちらが、より散らされやすいか」という比べ方をしているんだ。全部かゼロかで考えず、届く光の割合に注目してみよう。

6昼と夕方を、同じしくみで説明してみよう

昼の説明では、太陽のない方向から目に届く、散らされた光に注目したね。夕方の説明では、低い位置の太陽のほうから長い道を通ってくる光に注目するよ。同じ光の旅でも、どの方向を見て、どの光を追いかけるかが違うんだ。この違いを最初に決めておくと、「青が散るのに、なぜ赤くなるの？」という混乱を整理しやすいよ。

長い道の途中で青い光がいろいろな方向へ散らされると、太陽の方向から届く光は、もとの色の混ざり方とは変わってくるんだ。赤やオレンジが相対的に目立つのは、このためだよ。青い光が赤い光へ変身した、という説明ではないんだ。ある方向へ届く色の組み合わせが変わった、と考えるとよいね。

同じ夕方でも、毎日まったく同じ色になるとは限らないよ。空には雲や浮かぶつぶなどもあり、現実の景色はいくつもの条件が重なってできているんだ。基本の説明を覚えることと、すべての空の写真を一つの理由だけで説明することは違うね。まずは基本を使い、説明しきれない違いを次の疑問にしてみよう。

7空の観察ノートを作ってみよう

ノートを「いつ」「どの方向」「どんな色」「雲の様子」の4つに分けてみよう。安全な場所で、太陽を直接見ずに、空の一部分を観察するんだ。「青かった」だけでなく、「頭の上は濃い青に見えた」「地平線のほうは白っぽかった」と書くと、後で違いを比べやすくなるよ。晴れや曇りもいっしょに記録しておこう。

絵を描くなら、見た色の記録と、理由を説明する矢印の絵は分けて描いてみてね。前者は観察した景色、後者はしくみを考えるためのモデルなんだ。自分で考えた矢印を、空で直接見たもののように記録すると、観察と説明が混ざってしまうよ。二つを分けるだけで、ノートが小さな研究の道具になるんだ。

最後に、「太陽の光にはいろいろな色がある」「空気が進む向きを変える」「青い光が散らされやすい」の3つを、自分の言葉でつないでみよう。途中で言えなくなった場所があれば、そこが読み返すポイントだよ。空の青は、名前を覚える問題ではなく、目に届くまでの道を説明する問題なんだね。

8空の青と、青い絵の具は同じ？

青い絵の具を塗った紙と、晴れた空。目にはどちらも青く見えるけれど、ここで考えたいのは「青いものがあるか」ではなく、「どんな光が目に入ってくるか」なんだ。空の青を説明するときは、空気のつぶに散らされた光の道すじを考えてみよう。

太陽から来る光、空気のつぶ、きみの目。この3つを紙に描いて、光が空気のつぶのところで向きを変えて目へ届く矢印を足してみてね。空一面に青い幕がある、という絵よりも、空の色の理由を説明しやすくなるよ。

9どっとと考えよう：夕焼けの空気は別もの？

問いは「昼と夕方で、空気がまったく別のものに入れ替わるから、空の色が変わるのかな？」。まず、自分の予想を言葉にしてみよう。

答えのヒントは、光が空気の中を通る道の長さ。夕方は太陽が低く見え、目に届くまでの道が長くなるんだ。同じ散乱のしくみでも、途中で散らされる光と、太陽のほうから届く光の色の割合が変わるよ。

観察するなら、安全な場所から太陽の周囲を避けて空を見てね。時刻と空の色、雲の様子をメモしよう。1回の観察だけで理由を決めず、別の日にもくらべると、新しい問いが見つかるよ。