理科、嫌いですか?
空はどうして青い?



「お父さん、空ってどうして青いの?」
「それはね、人間が地上で環境破壊をしているのを見て青ざめているからだよ。」
「じゃあ環境破壊をやめると、この世から青空はなくなるの?」


 世の中には2種類の人間がいる。理科が好きな人と嫌いな人だ。
 不思議なことに理科が嫌いな人というのは、まるでアレルギーであるかのように『理科』という言葉を自分から遠ざけようとする。理系の話は理解できないと最初から聴こうとしない人も多い。
 そんな人に少しでも理科に興味を持って欲しいために作ったのがこの企画だ。「理科なんて大嫌いだ」という人も、分かるところまででいいから読んでみてほしい。

 まずは空に色がついて見える原理を実験で確かめよう。昼間の青空と夕焼けの赤色が何から発生するのかわかってくる。


 12歳以下のお友達は大人の人と一緒に作ろうね☆




用意する物

・傘袋 スーパーなどで雨の日に配っている物。穴が開いていない透明(半透明)のもの。
・輪ゴム 小さいものの方が使いやすい。
・懐中電灯 灯を上向きにして立てられると非常に便利。
・牛乳 使うのは少量。


作業開始

 傘袋のなかに牛乳を少量(3滴〜小スプーン1杯)入れる。
 傘袋の中にいっぱいに水を入れ、口を輪ゴムで止める。袋いっぱいに入れた水の重さは2kg以上になる。必ず大人の人と一緒に作業する。
 袋の底に懐中電灯を密着させ、右図のように袋の底から懐中電灯で照らし、袋を観察する。図は袋を立てた状態で描いているが、寝かせた状態で同様にしても構わない。
 袋の一部が膨らみ、水位が下がってきたら破れる前兆なので気をつける。

 袋を横から見ると薄く青みがかって見える。これが空が青く見える原理だ。
 天気がよければ牛乳を多めにして、自然光(太陽光)の中へ持っていっても同様のことが起こる(写真左下)。

 今度は懐中電灯の反対側、つまり輪ゴムで止めた口の方から見てみよう。
 懐中電灯の光が赤みがかって見えるはずだ(写真右下)。これが夕日が赤く見える原理だ。

     




解説
 暗い部屋で懐中電灯をつけると、埃が浮遊しているのが見える。このように大気中には小さな埃がたくさんある。そしてその埃のうち、肉眼で見えるかどうかという小さな埃は地面に落ちることなく、上空の高いところにも浮遊している。
 実験ではこの小さな埃(エアロゾル)の代わりに牛乳を使い、水を大気、懐中電灯を太陽に見立てて観察したのだ。

 右の図を見て欲しい。地球とその上に立っている人がいて、周りには大気がある。そしてそのさらに外に太陽がある。図の中の水色の部分は、傘袋と対比して分かりやすいようにモデル化したものだ。

 まず、@の人から見ると太陽はほぼ真上にある。つまり@の人にとって今は昼間だということだ。その人から空(水色の部分)を見ると、ちょうど傘袋を横から見ている状態と同じになり、その時傘袋が青く見えたように大気が青く見える。空が青く見えるということだ。

 それに対し、Aの人にとっては太陽は真横に見える。Aの人にとっては今は夕方である。その人が太陽の光を見ると、傘袋を懐中電灯の反対から見たのと同じ状態になる。こうして、傘袋を通った光が赤く見えたのと同じように夕焼けが赤く見えるのだ。




さらに詳しい解説(ちょっと難しめ)
 物体が目で見える、つまり目に光が届くには2つの場合がある。1つは物体に当たった光がはね返る場合(反射)。もう一つは物体そのものが光を発する場合(発光)だ。
 たとえば同じ赤い色でも、ポストは当たった光のうち赤い光だけを反射していて、交通信号などに使われる発光ダイオードは発光によって赤い光を出している。

 そして光というものは波の性質をもっていて、波長が異なる光は異なる色に見える。波長が長い(610〜750nm)光は赤い色に見え、波長が短い(435〜480)光は青い色に見える。
 ちなみに、赤より波長が長い(750nm以上)光を赤外線、紫より波長が短い(400nm以下)光を紫外線と呼び、どちらも肉眼では見えない。
 別の表現をすると、眼は光の波長の違いを色として判断しているとも言える。

 これが空の色とどう関係しているのか説明しよう。右図は実験に使った傘袋の中を拡大したものだ。大気にみたてた水の中に、エアロゾル(埃)の代わりとして牛乳の分子が散乱している。
 そこに光が当たるとどうなるか。牛乳の分子より波長の短い青い光は進路に牛乳の分子(エアロゾル)があると反射するしかない。
 しかし波長の長い赤い光は牛乳の分子をよけて進むことが出来る。

 青い光は傘袋の側面から出て行き、赤い光は傘袋の奥まで到達するのだ。

 その結果、傘袋を側面から見ると青みがかって見え、懐中電灯の対面から見ると赤みがかって見えるというわけだ。

 実際の空の色の見え方もこれと同じである。大気中の小さな埃に反射した光が空を青く見せ、太陽の発光のうち、特定の光だけが厚い大気を通り抜けて見えるから夕焼けは赤いのだ。

 空が青いのも、ポストが赤いのも、みんな光の反射のせいだ。



 ここまで読んでくれたあなたは、どこまで理解が出来ただろうか。あなたは少しでも理科に興味を持ってくれただろうか。それともやっぱり理屈っぽい話は嫌いだろうか。
 「理系の話も案外面白いのかもしれない」という感想を持ってもらえたとしたら、私としてはとても嬉しい。


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