00:00
今、あなたの頭の上に広がっている空。もし私が、本当の空の色は強烈で眩い紫色で、あなたの脳が勝手に青色だと幻覚を見ているだけだと言ったら信じますか?
いやー、まるでSF映画の導入みたいですよね。でもこれ紛れもない物理学と生理学の事実なんです。
そうなんですよね。
私たちが毎日見上げている青い空の裏側には、単なる光学現象に留まらない、生物の進化すら巻き込んだ壮大なドラマが隠されているんですよ。
なるほど。今回のこの深掘りでは、誰もが一度は疑問に思う、空が青く見えるのはなぜかという究極の問いに切り込んでいきます。
はい。
JAXAの教育資料から、国立天文台の理科年表、大気工学の包括研究報告書、さらには各種研究所の専門的な科学コラムまで膨大なソースを束ねて解明していきますよ。
今回のミッションは、単に光が散乱するから、という教科書的な暗記で終わらせることではありません。
確かに、それじゃ面白くないですよね。
そうなんですよ。なぜ紫ではないのか、なぜ夕焼けの真上は青いのか、そうしたなぜとどのようにのメカニズムを解き明かして、明日あなたが空を見上げたときの世界の見え方を完全に変えてしまうことです。
情報型にならないように、最も面白くて思わず誰かに話したくなるような、なるほど、という瞬間だけを抽出していきますね。
よろしくお願いします。
まずは、その紫色の空というパラドックスから紐解いていきたいんですが、太陽の光って普段は無色透明とか白っこいく見えますけど、実は二次塩すべての光が混ざっているんですよね。
その通りです。プリズムを通すとよくわかるんですが、赤、オレンジ、黄色、緑、青、藍、紫、といった可視光線がすべて含まれているんですよ。
はいはい、小学校の理科でやったような気がします。
そして重要なのは、これらの光はそれぞれ波長が異なるということです。赤い光は波長が長くて、青や紫の光は波長が短いんですね。
波長の長さが違うんですね。
そうです。この光が宇宙空間から地球の大気圏に突入したとき、空気中の窒素や酸素の分子と衝突して最初のドラマが起こります。これをレイリー産卵と呼びます。
レイリー産卵。光が空気の粒にぶつかって散らばる現象ですよね。
ちょっとこれを頭の中で映像化してみましょうか。
はい、いいですね。
大気を木が密集した深い森だとします。空気の分子がその木々です。光はそこを駆け抜けるランナーだとしますよね。
なるほど、面白い例えですね。
波長の長い赤い光は、まるで歩幅の巨大な巨人のように木々を跨いだりしてまっすぐ突き進むことができる。
でも波長の短い青い光は、ちょこまかと素早く走る孤人のようなもので、少し進むたびに木の間にガンガンぶつかって四方八方に跳ね返ってしまう。
03:01
これが空全体に広がっているから、私たちが空のどこを見ても跳ね返ってきた青い光が目に入る。こういう理解であっていますか?
非常に的確な視覚化だと思います。中学生にもすっと伝わる見事な説明ですね。
ああ、よかったです。
零零散乱の法則では、波長が短いほど極端に強く散乱されます。具体的には、青い光は赤い光の約10倍も強く散乱して空に広がるんですよ。だから空は青いんです。
いや、ちょっと待ってください。その物理法則を厳密に当てはめると、明らかにおかしな点が出てきませんか?
ほう、どこに矛盾を感じましたか?
いやだって、波長が短いほど強く散乱して空を染めるんだったら、虹色の中で青よりもさらに波長が短い色がありますよね。紫色です。
はいはい、その通りです。
ランナーの例えで言えば、紫色の光は青よりもさらに細かくぶつかりまくるはずですよね。だったら空は青色じゃなくて、最も強く散乱されている紫色に見えなければ物理学的におかしいんじゃないですか?なぜ私たちは紫色の空を見ていないんでしょうか?
素晴らしい鋭さですね。まさにそこが多くの人が見落としている最大のパラドックスなんです。
おお、やっぱりそうなんですか。純粋な物理学のケア算式だけを見れば、今おっしゃった通り、空は紫色になるべきなんですよ。しかし、そう見えないのには、光のスペクトルという物理的条件と、もう一つ、人間の生物学的な限界が深く関わっています。
生物学ってことは、つまり私たちの目の問題ということですか?
はい、そうです。まず前提として、太陽が発している光のエネルギー自体、紫色の成分が少なめであるという物理的要因はあります。でも、決定的な理由は、人間の眼球の網膜にある追体細胞という光センサーの構造なんですよ。
追体細胞、光を感じるセンサーですね。
ええ。私たち人間の目には、赤、緑、青の帯域をそれぞれ感知する3種類のセンサーがあります。このうち、短い波長を感知するセンサーは、青には非常に強く反応する設計になっているんですけど、紫の波長域に入ると、極端に感度が落ちてしまうんです。
ああ、私たちの目はそもそも紫の光をキャッチするのが極端に苦手なんですね。
そうなんです。それだけじゃありません。さらに奇妙なことに、波長の長い赤を感じるはずのセンサーが、なぜか波長の短い紫の端っこの方にもわずかに反応してしまうという、まあ、人間の目のバグのような特性があるんです。
ええ?赤のセンサーが紫に反応するんですか?
不思議ですよね。その結果どうなるかというと、空から降り注ぐ大量の青い光と少量の紫色の光を受け取った人間の脳は、パニックを起こさないように、それらの情報を合成してしまうんです。
情報を合成する?
はい。紫という純粋な色ではなくて、青いに少し赤と白が混ざった色として処理してしまうんですね。それが、私たちが認識しているスカイブルーの正体なんです。
06:00
うわあ、つまり、あの見慣れた美しい青空は、大気中で撒き散らされた光と、人間の目のちょっとした構造的な癖が偶然生み出した脳内フィルターを通した眼角だったってことですか?
まさにそういうことになります。
もし私たちが、紫外線や紫に極めて敏感な蜜蜂のような目を持っていたら?
おそらく、それは眩いほどの紫色に見えていたはずですよ。私たちが当たり前だと思っている色は、絶対的なものではないということですね。
これは衝撃的ですね。さて、いや、この法則が事実なら、夕焼けのメカニズムも完璧に説明できてしまいますよね。
おお、どういうことでしょう。
青い光が障害物にぶつかりやすく、赤い光がまっすぐ突き進むのだとしたら、夕方は太陽が地平線近くにあるため、光が私たちの目に届くまでに大気の森を通過する距離が圧倒的に長くなりますよね。
ええ、その通りです。
日中、光が大気を通過する距離は、せいぜい十数キロメートルですけど、日没時は、光は地球のカーブに沿って数百キロメートルもの大気の層を斜めに突き抜けなきゃいけない。
はいはい。
すると、日中空を青く染めていた精神たち、つまり青い光は、あまりにも何度も木にぶつかりすぎてエネルギーを失って、私たちの目に届く前に三張り切って消滅してしまう。
その見たて、完璧ですね。長距離層のなると、赤い光の巨人しかゴールにたどり着けないわけです。だから、夕方には太陽の周りが赤く見えるんですよ。
なるほど。あの、信号機の止まれが赤色なのも、この波長が長くて遠くまで届きやすいっていう物理的性質を利用しているんですよね。
ええ、よくご存知ですね。日常のインフラにもこの大気光学の基本が応用されています。赤い光は、最も遠くまで渓谷を届けられる色なんですよ。
でも、夕暮れの空を想像していて、もう一つ大きな疑問が湧いてきました。
何でしょうか。
太陽が地平線に沈む直前、西の空は燃えるような赤とかオレンジになりますが、そのまま首を後ろに反らして、頭の真上、つまり天頂の空を見上げると、くすむことなく、信じられないほど深く美しい青色を保っている時間帯がありますよね。
ああ、ブルーアワーと呼ばれる時間ですね。
ええ、そのブルーアワーです。青い光が散乱して消えてしまうなら、どうして頭の上の空は綺麗な青のままなんですか。黄色っぽく濁ったりしないんでしょうか。
非常によく気づかれましたね。実はここからが本当に面白いところなんですが、長年科学者たちも、真上の空の青さは単なるレイリー散乱の残りかすだろうと考えていたんですよ。
違ったんですか。
ええ、1953年に、エドワーヴ・ハルバートという研究者が画期的な事実を突き止めました。この美しいブルーアワーを作っているのは、なんとオゾンソウだったんです。
オゾンソウですか。
紫外線を防ぐことで有名なあのオゾンソウが空の色を操作しているんですか。
09:00
はい。オゾンという機体には紫外線を吸収するだけでなく、可視光線の黄色からオレンジ色の波長を微弱に吸収するチャピュイ吸収体という特殊な性質があるんです。
黄色を吸収する、つまり黄色い光を食べてしまうってことですか。
その通りです。日没時、太陽光は青層圏にあるオゾンソウを真横に非常に長い距離に渡って通過します。その通過の間に黄色やオレンジ色の光がオゾンによってどんどん食べられてしまうんですよ。
はあ。
ハルバートの計算によれば、日没時の天朝の空が青く見える理由の、なんと3分の2はレイリーサンランではなくて、このオゾンソウによる黄色の吸収によって作られていることがわかっているんです。
3分の2も、ですからオゾンソウが黄色い光を掃除してくれないと、夕暮れの上場の空はもっと泥水のように濁った色になってしまうということですね。
ええ、まさにその通りです。これをさらに大きな視点と結びつけてみると、北極や南極の厳しい冬の時期に見られる幻想的な青い薄明かりも同じメカニズムなんです。
ほう。
あの夕暮れの深い青色は、地球の生命を知識的な紫外線から守ってくれている巨大なシールドが確かにそこに存在している、という大気からの強烈な光学的サインなんですよ。
いや、空の色を見るだけで私たちが守られていることがわかるなんて、ちょっと鳥肌が立ちました。
ええ、本当に神秘的ですよね。
ここまでは、大気中の気体分子が光をどう扱うかについて話してきましたけど、空には気体以外のものも浮かんでいますよね。雲です。空気が青を生み出すなら、なぜ水滴の集まりである雲は真っ白に見えるんでしょうか。
それはですね、光がぶつかる障害物のサイズが劇的に変わるからなんです。
サイズですか?
はい。気体分子は光の波長よりはるかに小さいですが、雲を構成する水滴や氷の粒は光の波長と同等か、それ以上の大きさがあります。光がこの巨大な障害物にぶつかると、レイリーサンランではなく、ミーサンランという全く別の物理現象が起こるんです。
ミーサンラン。えーと、レイリーサンランとは何が違うんですか?
レイリーサンランは波長の短い青い光を特別扱いして強く弾き飛ばしましたよね。でもミーサンランは波長の長さに関係なく、青も緑も赤も、すべての色の光を均等に散乱させるんです。
すべての色を均等に。
ええ。すべての色が均等に混ざり合って目に届くため、光の三原色の原理で白に見えるんですよ。牛乳も白く見えるのも、実はこれと同じような理由なんです。
なるほど。水滴がすべての色を均等に弾き返しているから白く見えるんですね。
その通りです。
でも、水滴が集まった雲がいつも白いとは限らませんよね。資料の中で、とても不気味な気象現象についての記述を見つけたんです。
ああ、流卓や激しい雷雨の直前に起きるあれですね。
12:01
ええ。空が突然エメラルドグリーンに変色することがあるというやつです。水滴が光を白くするなら、なぜ空が緑色になるんですか?
これは、非常に得意な条件が重なった時にだけ起きる大気のカクテル現象なんです。まず、夕方などの時間帯で、太陽からの光がすでに赤みを帯びていること。
はい。夕焼けの赤い光ですね。
そして、上空に厚さ10kmを超えるような巨大な石欄雲が存在して、その中に大量の巨大な水滴や氷が含まれていることが条件になります。
赤い光と氷ですか?
ええ。巨大な水滴や大量の氷を投下する光は、青い光を選択的に散乱させて通す巨大な青いフィルターとして機能するんです。
ほう。
そこに夕暮れの赤い光が強烈に差し込みます。赤い光源に青いフィルターを重ねるとどうなるか。極端な赤と青の波長がぶつかり合い、その中間にある緑色の波長だけが不気味に強調されて地表に届くんですよ。
わあ、赤い光と青いフィルターの衝突が異様な緑色の空を生み出すんですね。
そうなんです。ただ、リスナーの皆さんに強く警告しておきたいんですが。
はい、大事なことですよね。
この緑色の空は映画の特殊効果のように美しいかもしれないけれども、極めて危険な氷や破壊的な流体風がすぐそこまで迫っているという自然からの視覚的な緊急警報なんです。
もしこの緑の空を見たら、色の利用に関心している場合ではありません。直ちに頑丈な建物に避難してくださいね。
まさに水滴が引き起こす極端な現象ですね。皆さんこれは絶対に覚えておいてください。
はい。
さて、水の話が出たので、ここで絶対に避けて通れない最大の勘違いに切り込みましょうか。
海が青いのはなぜかという問題です。
おお、来ましたね。
よく、海は空の青色を鏡のように反射しているから青いんだと言われますよね。有名なアニメのセリフなんかでも聞いたことがあります。
でも今の先生、あ、いえ、今のお話だと水滴の集まりであるクムはミンサンランで白くなるはずですよね。
ええ。
なのに巨大な水の塊である海はなぜ深い青色なんでしょうか。これって本当は違う理由があるんですか。
いやー、これは非常に重要な疑問を投げかけていますね。
実は、海が空の青を反射しているというのは水面の明るさには影響を与えていますが、根本的な物理メカニズムとしては完全に間違っているんです。
え、間違っているんですか。
はい。空の色が反射しているだけではありません。空が青い理由と海が青い理由は物理学的に全くの別物なんですよ。
どちらも水とか空気が関係している現象なのにですか。
ええ。空の青さはこれまで話してきた通り、青い光が分子にぶつかって撒き散らされる産卵によるものでした。
しかし、海の青さは水の分子そのものによる赤い光の吸収によって生まれるんです。
15:05
産卵ではなく吸収ですか。光を吸い込んでいるってことですか。
その通りです。水、つまりH2Oの分子は固有の振動エネルギーを持っています。
太陽光が水の中に入ると、水分子はカシコ線のうち波長の長い赤い光のエネルギーを見事に吸収して、自分自身の振動に変えてしまうという性質があるんです。
ほう。
水深が数メートル深くなることに、赤い光は水分子に次々に食べられて消滅してしまうんですよ。
赤い光が水に食べられてしまう。じゃあ残った光はどうなるんですか。
水分子に食べられずに生き残った波長の短い青い光だけが水中の微小な粒子に当たって産卵し、再び水面から私たちの目に戻ってきます。
これが海が青く見える本当の理由、選択的吸収なんです。
なるほど。資料を読んでいて私が一番衝撃を受けたのが、これってまさにH2Oという物質の固有の性質だという点なんですよね。
ええ、鋭いですね。
もし普通の水の代わりに水素の同位体を使った重水D2Oで海を満たしたとするじゃないですか。
重水は分子の重さが違うから振動の周波数も変わって、なんと赤い光を吸収しなくなるそうですね。
はい、そうです。
つまり海は赤い光を食べて青を吐き出しているようなものだから、重水の海は青く見えず無色透明になるってことですよね。これすごくないですか。
まさにその通りです。海が青いのは私たちの地球の海がH2Oでできているからこその現象なんですよ。
空は青い光を撒き散らして青くなり、海は赤い光を食べて青くなる。同じ青色でも生み出されるプロセスが真逆だというのは本当に面白いですね。
ええ、自然の不思議なところです。
では、地球の大気と水が作り出す奇跡の青のメカニズムが分かったところで、至高のスケールを宇宙全体へ広げてみましょうか。
地球を離れて私たちが別の惑星に降り立ったとき、空は一体何色に見えるんでしょうか。人類の次の目標地、火星はどうですか。
火星の空はですね、地球の空のメカニズムを完全に逆転させたような世界なんです。
逆転ですか。
ええ、火星の大気は地球の約135分の1しかなくて非常に希薄です。そのため、気体分子によるレイリー産卵はほとんど影響力を持ちません。
その代わり、火星の地表からは酸化鉄、つまり赤サビの細かい地理が常に巻き上げられて大気中を頼っているんです。
大気中がサビだらけなんですね。ということは、気体分子より大きい粒子だから、雲の時と同じミー産卵が起きるんですか。
その通りです。しかし、この地理の粒子は赤い光を特によく反射したり産卵したりする物理的性質を持っています。
18:01
そのため、日中の火星の空は青ではなく、どんよりとした赤茶色やピンク色に染まっているんですよ。
昼間が赤色なんですか。ちょっと待ってください。日中が赤いということは夕方はどうなるんですか。地球は昼が青で、長い距離を走って青が消えるから夕方が赤になりますよね。
ええ。まさにその逆の現象が起きます。火星の夕暮れでは、太陽の光が大気中の地理の中を長く通過しなければなりません。
その長距離の移動の間に、今度は赤い成分の光が地理にぶつかって四方八方に産卵してきてしまうんです。
なるほど。赤が脱落していくんですね。
ええ。そして最後に残った、前方に産卵しやすい青い光だけが分厚い地理の層を突き抜けて目に届きます。
つまり、昼が赤なら夕方は青なんです。
夕焼けが青い。
そうです。NASAの探査機キュリオシティが捉えた赤茶色の空に沈む冷たく青白い太陽の画像を見たことがあるかもしれませんが、あれは地球と完全に逆の広角フィルターが働いている証拠なんですよ。
昼が赤で夕暮れが青。同じ太陽の光なのにフィルターが違うだけで世界はこんなにも変わるんですね。
他の星も気になります。写真で見ると巨大ガス惑星の天王星や海王星は、地球の海のような見事な青色をしていますよね。あれは火星のような塵がないからですか?
天王星や海王星の美しい青色は、産卵ではなく吸収によるものです。先ほどの地球の海の話を思い出してください。
えっと、海は水分子が赤い光を食べるから青いという話でしたよね。
はい。しかし天王星や海王星の上層大気には水ではなく大量のメタンガスが存在しています。このメタンガスが地球の液体の水と全く同じように太陽光の中の赤い光を強力に吸収してしまうんです。
ああ、なるほど。
赤い光が大気に食べられて、吸収されなかった青や緑の光だけが反射して宇宙空間に戻っていくため、あのような深い青色に見えるんですよ。
すごいですね。天王星は気体なのに、地球の海と同じメカニズムで空を青くしているんですね。地球の空は産卵による青で、天王星の空は吸収による青。星ごとに自分たちの環境の材料を使って独自の光学レシキを作り上げているみたいです。
その通りです。他の星もテンポよく紹介すると、金星は分厚い二酸化炭素と硫酸の雲によって黄色やオレンジの思う苦しい空を持っています。土星の衛星タイタンは有機物のスモックであるソリンによって深いオレンジ色に沈んでいるんですよ。
宇宙のどこに行っても、空の色はその星の大気の歴史そのものを物語っているんですね。
ええ。
つまり、私たちが当たり前だと思っているこの青い空は、窒素と酸素の絶妙なバランスと地球の重力、そして私たちの目の進化が生んだ奇跡のコラボレーションなんですね。先生、いえ専門家として、これってどういう意味を持つんでしょうか?
21:09
そうですね。これは私たちがどんな星に住み、どんな物理法則の中で生きているかを再発見するプロセスだということです。
再発見ですか?
ええ。当たり前を疑うことで、世界がいかに成功にできているかが見えてくるんですよ。
今回のディープダイブ、いかがだったでしょうか。私たちが毎日見上げている空の青は、決して当たり前のペンキの色ではありませんでした。
ええ。本当にいろいろな要素が絡み合っていますね。
窒素や酸素の分子が青い光を弾き飛ばすレイリー産卵があり、オゾンソウが黄色い光を食べて頭上を深く青く染め、水分子が赤い光を飲み込むことで海は青く輝いています。
はい。
そして何より、私たちの目の盲膜のセンサーが紫を青と勘違いしてくれているおかげで、この美しいスカイブルーの世界が広がっている。
その通りですね。
リスナーのあなたも、明日外に出て空を見上げたとき、それがただの青い背景ではなくて、何億キロも旅してきた光の粒が地球という星のフィルタラを通ってあなたの目に到達するまでの壮大な宇宙のドラマとして見えてくるはずです。
最後に、皆さんへ一つ想像してみていただきたいことがあります。
今日、私たちは人間の目の限界、つまり紫が見えにくいことについてお話ししました。
はい。驚きの事実でしたね。
ええ。私たちが紫色の空を見ることができないのは、進化の過程で今の目の構造を獲得したからです。
もし我々が深い深い海の底で進化した種族だったら、あるいは全く違う波長の光を放つ、例えば赤色Y星のような恒星の周りを回る惑星の住人だったら、
ああ、なるほど。
私たちの美しい空の色という芸術や感性はどう違っていたでしょうか。
今この瞬間も、私たちの目には見えないけれど、空には想像を接する未知の色彩が広がっているのかもしれません。
次に空を見上げるときは、そんな見えない色を想像してみてください。
皆さんの樹上にはどんな色が見えるでしょうか。
それでは、今回の深掘りはここまでとさせていただきます。
