何故、空は青く感じるのでしょうか？

Question

と、あるサイトで質問したのですが、

短波長は拡散しやすいという回答がありました（これが正解か分かりませんが）。
が、短波長は長波長より拡散しやすいとはどういう仕組みでそうなるのでしょうか？
申し訳ありませんが、無学者に分かるようにお願いします。

91091 · Accepted Answer

ファインマン物理学2巻7章に式の導出と共に説明があります。外電場による電子の再輻射がポイントです。光が空気の分子に当たると、分子中の電子が揺り動かされます。電子が揺り動かされると、電磁波が輻射されます。（マックスウエル方程式の解）その電磁波の輻射強度は振動数の４乗に比例します。
（以下ファインマン物理学本文の抜粋）
その結果、散乱は振動数の４乗に比例することがわかる。すなわち、振動数がたとえば２倍になったとすると、散乱光の強さは１６倍になる。これはかなり大きな違いである。青い光はスペクトルの赤の端にくらべて、大体２倍の振動数をもっている。したがって赤い光より大幅に強く反射される。それでわれわれが空を見るとき、いつでもあのすばらしい青が見られることになるのである。

steam2000 · Answer

どう思われますか？ではなくて、最初の質問である
＞短波長は長波長より拡散しやすいとはどういう仕組みでそうなるのでしょうか？
　についてお分かりいただいた段階で回答の受付を締め切り、新たな疑問は別の質問にされてはいかがでしょうか。
　その後無応答の状況が続いているのは、ダラダラと続く関連質問が続く様子に、皆さんすっかり引いてしまったのではないかと思いますよ。

steam2000 · Answer

最初のご質問の主旨である
＞短波長は長波長より拡散しやすいとはどういう仕組みでそうなるのでしょうか？
という疑問は解消したものとして、次の
＞「上空の光が見えるのではなく、手前にあった降り注いできた光を見て、空が青と感じる」
ということについてですが
　空の青い色の源は太陽から来た光である、
ということはよろしいですよね？
　さてその次ですが、もしも地球を取り巻いている大気（空気の層）が
その中を通る光に何の影響も与えないとしたらどうなるかを考えてみましょう。
　まっすぐに私たちの目に向かって来る以外の太陽からの光は
上空をそのまま直進し、大気圏を通り抜けて宇宙空間へ出て行ってしまいます。
　つまり、上空から私たちのほうに降り注いでくる光はありませんから空は真っ暗でしょう。
　ただし地上は太陽光線に明るく照らされています。
　大気のない月面に降り立ったアポロ計画の宇宙飛行士たちが見た光景がそうでしたね。
　さて実際には空気層は光をそのまま通過させないで散乱させるのですが
その散乱の度合いが、波長の長い赤い光よりも波長の短い青い光のほうが大きいのですね。
　ということは上空を通過している太陽光から地表に向かって散乱されて来るのはおもに青い光となり
したがって地上から見上げる空は青く見えるのです。

ringouri · Answer

http://www.srs.ne.jp/~north/text/misc/e29.html

参考URL：http://www.srs.ne.jp/~north/text/misc/e29.html

steam2000 · Answer

＞青い光子はパチンコ玉のように

　今は、光の波長の長短によって散乱される度合いが違うことをもとにして、
空が青く見えるわけを考えているのですから、
そこへ光子という光の粒子性を持ち出すと混乱しますよ。
　あくまでもここでは光を波として考えましょう。

ojisan7 · Answer

>何故、空は青く感じるのでしょうか？
これは、難しい質問ですね。普通は、空気分子による光の「レイりー散乱」によって説明されています。レイリー散乱について詳しく知るには、電磁気学、特殊相対論の知識が必要ですが、それをまだ学ばれていなようですので、「分子サイズ以下の波長の光が分子に衝突する場合、波長の短い光ほど強く散乱される」という性質だけ、覚えておいてください。これが、レイリー散乱です。散乱には、様々なものがありますが、入射光の周波数に依存する散乱が、この「レイリー散乱」です。

空が青く感じられることへの説明ですが、地上付近のように、空気密度が高い場合には、散乱光の干渉効果のため、散乱強度は強くありません。上層大気のような、空気密度の低い場所で、レイリー散乱が強く起きることが原因です。

それから、「青い光は曲がりやすい」からだ、という説明は、「散乱」と「屈折」を誤解しています。「散乱」、「屈折」、「回折」は、全て原理の異なった現象です。「散乱」は物理的には、どちらかというと、「反射」に近い概念です。

ご質問とは離れますが、雲が白いことの説明として「ミー散乱」というのがありますが、これは非常に複雑な現象で、定量的に論ずるとなると、解析もさらに難しくなります。

steam2000 · Answer

＞それだけ青周辺の色は波長が小さいということですか？

　青い光の波長は0.45マイクロメートル　つまり　0.00045ミリメートルぐらいだそうです。

＞衝突された分子（など）は光子の反対方向に進むことになるのでしょうか？

　光子は、量子というエネルギーの粒みたいなものの一種で、
質量はゼロなので衝突しても位置への影響はないのでしょう。

steam2000 · Answer

ANo.5の訂正です。
　水面の波の波長よりも大きなものの例として、よく考えずに防波堤を挙げてしまいましたが
波を跳ね返すからこそ防波堤なんじゃないか、と突っ込みを入れられそうですね。

steam2000 · Answer

＞短波長でも長波長でも衝動する確率は同じように感じてしまうのですが

　はい、衝突は同じように起こるのですが、その後が違うのです。
　波が障害物にぶつかったとき、その障害物の大きさが波長よりも小さいと
波は障害物を乗り越えて進んでいってしまいます。
　逆に、障害物の大きさが波長よりも大きいと波は乗り越えられず
跳ね返される（散乱する）のです。
　水面の波で見ると、浮いている落ち葉やボートのように、
波長よりも小さいものでは波はさえぎられずに進んでいってしまいますが、
大型船とか防波堤などの大きなものに突き当たると跳ね返されていますよね。

darkking · Answer

私も疑問に思っていました。

てっきり、オゾンが青だからだと思って、
勝手に納得していました。

何故、空は青く感じるのでしょうか？

ファインマン物理学2巻7章に式の導出と共に説明があります。

どう思われますか？ではなくて、最初の質問である

最初のご質問の主旨である

＞青い光子はパチンコ玉のように