［レイリー散乱］なぜ青い光が散乱すると空は青く見えるのですか？

物理などは詳しくありません。
空が青い理由についていくつかの初心者向けの解説を読んでいましたが、なんとなくイメージがつかめません。

質問は
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昼間の青い光は散乱すると目に届く量は、
増えもせず・減りもせず、のような気がしてしまうが、
実際にはなぜ増えているのか？です。

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※できれば図としてイメージしたいです。なにか日常のものに例えたり、「夏休み子ども科学電話相談」のように専門用語を使わず教えていただけるとありがたいです。



太陽と自分が９０度に近いほどその間の距離は短く、大気の層は薄くなる。大気の約９８％を占める酸素・窒素が特に青い光を多く散乱させる。夕焼けや朝焼けは太陽との距離が遠くなるので通過する大気の層が厚くなり、青い光は散乱されきってしまい、残った赤い光が目に届く。

昼の空が青く見えるとき、酸素や窒素によって青い光を多く散乱しているため、空が青く見える…。ここが「図としてイメージ」しにくいです。

この昼の間も赤い光は散乱されずに目に届いているのですよね？なぜ目は散乱した青い光をより強く感じるのでしょう？
散乱したら青い光は自分の目以外のところへも散ってしまうので、自身に届く量は減るような気がします。
でも近場の他所(？)からの青い光も散乱されてこちらへ同じくらい飛んでくるでしょうから、結局総量としては減りもせず、増えもせず…。
だから空は太陽光の色のまま(それが白なのか透明なのか想像もできないのですが)に見えると思ってしまうんですが、空はやっぱり青いし、長〜い水槽に石鹸水を入れた実験でも色は別れています。

ミー散乱(これもあんまりわかってない)は前方へ散乱する傾向があるとWikipediaに書いてありました。わざわざこう書いてあるということは、レイリー散乱はそうでないのですよね？物質に光が入射したら３６０度、四方八方に散っていくのですよね？なんかうまい具合に、私の目にだけよってくるわけではないですよね？
等しく散っているならやっぱり、昼間に赤い光より青い光が優勢になるほどにまで目に届いているのはイメージしにくい…のです。みんなすんなり受け入れられるのになぜ自分はひっかかるのでしょう…。

私のレイリー散乱のイメージは

　　　　　　　　　　　① ① ① ①
　　　　　　　　　　　↑ ↑ ↑ ↑
《青い光》⑩ →→→ □酸素などで散乱□ →①
　　　　　　　　　　　↓ ↓ ↓ ↓ ↓
　　　　　　　　　　　① ① ① ① ①

（①は四方八方に散る青い光）

こんな感じなのですが、そもそもこれも間違っているのでしょうか？⑩で入って四方八方に⑩で散っていくなんてことはないですよね？
それとも空が青い理由は、青のお隣の色の光の散乱も関係しているのでしょうか？
そもそも太陽光には赤系の光より、青系の光が多いとか？
お昼に太陽を直接見ると真っ白です。太陽の淵はすこし黄色っぽかったかもしれません。さらにその周りの空が青いです。太陽と自分の目と一直線に結ぶ線の空間上はすべての色の光が混ざっているのですよね。光源に対して少しずれて見ているから空は青い？？？プリズムで分光したちょうど青いところに自分がいる感じ？？？

やっぱりわからない…。


長くなりましたが、もう一度まとめると
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昼間の青い光は散乱すると目に届く量は、
増えもせず・減りもせず、のような気がしてしまうが、
実際にはなぜ増えているのか？

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※できれば図としてイメージしたいです。なにか日常のものに例えたり、「夏休み子ども科学電話相談」のように専門用語を使わず教えていただけるとありがたいです。

質問者からの補足コメント

• ＞1.光源は太陽であること。
  確かにそうです。わかっているつもりで肝心なことが抜け落ちておりました。
  
  ＞2.レイリー散乱では波長の短い光ほど真っ直ぐ進む。そのため太陽の周辺ほど青く見える。
  下記ＵＲＬのCanonのサイトに『レイリーは、散乱は光の進行方向に最も強く、直角方向でその2分の1になることも発見しています。』とありました。このことでしょうか。
  
  
  http://web.canon.jp/technology/s_labo/light/001/ …

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2018/07/29 00:19

• ＞3.赤い光は幾度も散乱し、また大きく曲げられるので日中は地表に届きにくい、一方その曲げられた光が太陽の外側を包んでいるので朝焼け夕焼けが起る。
  赤い光のほうが散乱されやすい？のでしょうか…。でしたら私は本当に根本的に間違っていますね。
  Canonサイトより『波長が短いほど「散乱」は強くなるため、青い光が赤い光よりずっと強く散乱されるからなのです。…//…朝と夕方の空が赤くなるのは、太陽の光が突き抜ける大気層の距離と道筋に関係があります。通過する大気層の距離が長くなるので青い光は散乱されきってしまい、逆に散乱されにくい赤やオレンジの色が強調され』
  とあり、お教えいただいたことと逆のように感じるのですが、私はなにを勘違いしているのでしょう…。

    補足日時：2018/07/29 00:20

• ＞2.レイリー散乱では波長の短い光ほど真っ直ぐ〜…
  ＞3.赤い光は幾度も散乱し、また大きく曲げられる〜…
  
  この2点についてあまり理解できていません。
  「レイリー散乱」すなわち「波長よりも小さな粒子での光の散乱」では、《波長の長い赤系の光はそもそも粒子と衝突しにくいが、もし衝突した場合は》、青系の光と比べると入射方向から大きく曲がり、空間に散っていく。
  ということでよいでしょうか？
  
  赤い光が空気中の分子を通過する場合、光の(地表へと向かう)進行方向へ進みにくいが、そもそも青い光に比べ分子と衝突通過しにくく、逆に空気中の分子にがんがん当たり通過していく青い光はおおかた(地表へと向かう)進行方向へ進むが、他の分散した青い光は人の目に届き、結果的にどうやら青い光が優勢となるようだ、ということでしょうか？

    補足日時：2018/07/29 00:22

• ＞2.そのため太陽の周辺ほど青く見える。
  意外です。白っぽくなるかと思いました。でもそういえば青空のグラデーションって上空のほうが濃いような。でもそれは空気遠近法によるものでしょうか？
  
  ＞3.赤い光は幾度も散乱し、また大きく曲げられるので日中は地表に届きにくい、一方その曲げられた光が太陽の外側を包んでいるので朝焼け夕焼けが起る。
  これはぜんぜんわかりません。太陽の外側を包んでいる…？どんなかんじなんだろう…。

    補足日時：2018/07/29 00:22

No.2 ベストアンサー 回答者： mide 回答日時： 2018/07/29 01:38

大気がない状態であったなら，昼間に空を見上げると真っ暗で太陽が強い光で輝いています。

月面の昼間がそんな感じです。
このとき光は太陽の方向からのみ来ています。
しかし実際には大気があるのでレイリー散乱した波長が短めの光が《太陽のない》方向から目に届きます。
つまり本来なら暗黒である空を背景としてレイリー散乱した主に青っぽい光だけが見え，これが青空と認識されます。

この回答へのお礼

＞つまり本来なら暗黒である空を背景としてレイリー散乱した主に青っぽい光だけが見え，これが青空と認識されます。

大変わかりやすいです。
黒い背景の水をはった水槽に、横から直線に進む光を当てた実験動画があったのですが、光の道は見えませんでした。大気がない状態がこれと同じですね。
そこに牛乳を少し垂らすと、はっきりと道筋が見えました。そしてさらに牛乳を垂らし濃度を濃くすると光の道筋は消え、今度は一面が乳白色になりました。

月は空が真っ黒なのに地表は明るいなんて不思議です。止まったエスカレーターに乗っているような心地でしょうね。

ご回答ありがとうございました。

お礼日時：2018/07/30 16:51

No.4 回答者： doc_somday 回答日時： 2018/07/29 12:06

申しわけありません、補足を読んでいて、大馬鹿なことを書いていたことに気付きました。

レイリー散乱を習ったのは５０年前なので、呆けたのです。
全部が間違いというわけではありませんが、レイリー散乱自身については＃３のお答えの通り正反対でした。再度まとめると以下の通りです。
0.レイリー散乱に限らず光・電磁波は障害物があった場合波長が長い、つまり赤いほど散乱・反射されにくく、多くの場合回り込んで通過していく。
1.光源は太陽、これは間違いない。
2.先に朝焼け夕焼けの説明にたどり着けば良かったのですが、空が青いことに囚われ過ぎました。ご指摘通り大気圏を長距離通過する光は赤い方が散乱されにくくそのため、朝焼け夕焼けが起きる。
その時太陽自身が深い赤に見えることも重要だが、太陽の光度が下がっていて、全光量中赤い光の分量が日中より多くなっている。
3.ではなぜ空は青いのか、そこで重要なのが強烈な太陽自身とその周囲以外、全天がほとんど一様に青いということで、それは青い光が幾度も散乱され全天から降り注いでいるから、ということ。
赤い光は空気中のダストで散乱されず、飛び去ってしまう、そして地平線にある土地で朝焼け夕焼けを起している。
以上です。

この回答へのお礼

＞レイリー散乱を習ったのは５０年前なので
なんと！私は習ったことは10年も経ったら名前すら忘れてしまっています。思い違いは誰でもあるもの。どうぞお気になさらず。


＞太陽自身とその周囲以外、全天がほとんど一様に青いということで、それは青い光が幾度も散乱され全天から降り注いでいるから、ということ。
赤い光は空気中のダストで散乱されず、飛び去ってしまう、そして地平線にある土地で朝焼け夕焼けを起している。

空が青い理由についていろいろなところで解説されている「空が青い光で満たされている」というのが、今であれば体感的(？)に理解できます。
私の見ている空の青は、どこかの人の夕日や朝日の赤でもあるのですよね。その人たちに届かなかった青を私が見ているのですよね。


太陽をウニにしたこと、自分で自分に自分の膝を打ったのですが(笑)、誰にもつっこまれないということは幼稚なことを質問したのでしょう。
このような質問にもお時間を割いていただき、大変感謝しております。

同じカテゴリのひとつ下の質問も私でございます。
この質問によって得た理解は、その疑問の解決に何役もかってくれることでしょう。

お礼日時：2018/07/30 17:48

No.3 回答者： oniku-hamihami 回答日時： 2018/07/29 02:35

＞2.レイリー散乱では波長の短い光ほど真っ直ぐ進む。

そのため太陽の周辺ほど青く見える。
＞3.赤い光は幾度も散乱し、また大きく曲げられるので日中は地表に届きにくい、一方その曲げられた光が太陽の外側を包んでいるので朝焼け夕焼けが起る。

波長の短い光の方が散乱されやすいのでこれは逆です


＞夕焼けや朝焼けは太陽との距離が遠くなるので通過する大気の層が厚くなり、青い光は散乱されきってしまい、残った赤い光が目に届く。

散乱されるのは1度だけではなく別の粒子によって再度散乱されます
よって散乱されやすい青い光は目に映る太陽の像から大きく外れあたかも空全体が青く光っているように見えます
対して散乱されにくい赤や緑の光は太陽のぞうから大きく外れません
ですから太陽の色をイメージすると赤だったり、赤と緑が合わさった色の黄色やオレンジだったりしますよね

目に届かない方向にも光は散乱されるので散乱される回数が増えれば次第に目に届く光の量も減ります
ですので大気中を通る光の距離が長くなると散乱されやすい青い光のほとんど目に届かなくなり
散乱されにくい赤や緑の光も回数が増える分が広く散乱され空全体がオレンジ色に光っているように見えます
赤より緑の光のほうが波長の短く散乱されやすいため目に映る太陽の像から緑色の成分が減り太陽はより赤く見えます

この回答へのお礼

＞散乱されるのは1度だけではなく別の粒子によって再度散乱されます。

YouTubeのトライの物理講座の動画でも確認いたしました。
質問に⑩→①①①①①①①①①①としましたがその①がまた別の粒子にあたって、さらに小さなエネルギーになって散っていくのですね。そのエネルギーって最後は小さく小さくなって、どこにいってしまうんでしょう。⑩でぶつかった空気中の分子に入って、①×10ででていったら、その分子には伝わっていないですよね…？でもなんとなく空気を温めているのかな。
波が「消える」ときってどんなかんじなんだろう？


＞赤より緑の光のほうが波長の短く散乱されやすいため目に映る太陽の像から緑色の成分が減り太陽はより赤く見えます。

緑一面の空も見てみたいものです。
https://m.chiebukuro.yahoo.co.jp/detail/q1416803 …
https://m.chiebukuro.yahoo.co.jp/detail/q1413190 …
質問者さんには賛同しかないのですが、個人的に回答には疑問が残ります。

お礼日時：2018/07/30 17:28

No.1 回答者： doc_somday 回答日時： 2018/07/28 22:45

レイリー散乱の概念が間違っていると思います。

さらに人間の眼の構造と脳の作用も関係しているのです。
1.光源は太陽であること。
2.レイリー散乱では波長の短い光ほど真っ直ぐ進む。そのため太陽の周辺ほど青く見える。
3.赤い光は幾度も散乱し、また大きく曲げられるので日中は地表に届きにくい、一方その曲げられた光が太陽の外側を包んでいるので朝焼け夕焼けが起る。
4.朝→昼→夕と太陽光の光量は大きく変化しているが、眼と脳が補正しているため明るさに大きな変化が無いと思わされている。

この回答へのお礼

お答えいただきありがとうございます。
お礼だけでは文字数が足りず、補足とこまごま別れてしまいすみません。

＞1.光源は太陽であること。
確かにそうです。わかっているつもりで肝心なことが抜け落ちておりました。


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まず、私は地球と自分と太陽とを平面図で考えようとして、拙い脳みそでは感覚的に理解できなかったようです。
お教えいただいた1.の通り、光源について変な解釈や見落としがありました。

私は太陽をウニにすることで、この疑問が解けたかと思いました(が2と3でまた新たな疑問が)。
ウニのトゲが光の進む方向。トゲの一本一本はそれぞれ色をもっています。私は平面ではなくVRのような視点でウニを見上げています。

ウニからまっすぐ伸びたトゲのいくつかが私の目に刺さっている。これが太陽を真っ直ぐ見たときの光の通り道。赤い光のトゲは酸素や窒素によって(私の理解では)散乱せず、青い光のトゲは散乱しながらも他所からも散乱されてきた青い光のトゲが混ざり、太陽は白く見える。

次に私は太陽から少し左へ目をそらし、他の方向へ伸びている一本のウニのトゲを見てみる。
そのトゲはウニの本体から真っ直ぐ伸びて、あるところで空の酸素分子へ入る。かと思いきや遠くの地表へ進んでいく。ことトゲは赤い光のトゲ。あまり空気分子とぶつからない。

すぐ近くのトゲもウニ本体から真っ直ぐ地表へ伸びているが、今度は酸素分子へ入っていった。するとそのトゲは分子から出るときに四方八方に裂け、そのうちのいくらかが私の目にまでやってくる。

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これだと私は感覚的にわかった気になるのですが…！
実際には酸素分子よりトゲのほうが大きかったり、おかしなところもあるかもしれませんが、青い光が散乱して目にまで届く、赤い光はそのまま遠い地表へ行っちゃう、という部分はあっているのではないかと。
これはいつの間にか抜け落ちていた、太陽すなわち光源からウニのトゲのように光が出ているということを意識するのでわかりやすかったです。

ありがとうございました。

お礼日時：2018/07/29 00:23