夕焼けの赤は、空の「残りかす」でした。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

夕焼けが赤い理由 ― 青い光が散った後に残る、最も散乱されにくい光

私たちが夕焼けに足を止めてしまうこと

今日、空を見上げたでしょうか。

仕事帰りの交差点、電車の窓、洗濯物を取り込むベランダ。ふと顔を上げた瞬間、西の空がオレンジに染まっていて、数秒、立ち止まってしまう。そんな経験は、誰にでもあるはずです。

私たちは夕焼けを、人生で何千回と見ています。それでも赤く染まる空には、何度でも目を引かれてしまう。

この「赤」の正体は、ロマンチックな言葉とは少し違って、かなり即物的です。夕焼けの赤は、青い光が空のどこかへ散り去ってしまった後に、残った光なのです。豪華な夕食の主役ではなく、皆が食べ終えた後にお皿に残った一片。そう言うと味気ないかもしれませんが、この仕組みを知ると、見上げる空の見え方は少し変わります。

太陽光は本当は七色 ― 教科書で習った前提

白く見える光には、さまざまな色が混ざっている

夕焼けの謎を解く鍵は、理科の教科書に書かれています。誰もが習ったはずの話です。

太陽の光は、一見すると白っぽい無色の光に見えます。しかし実際には、赤・橙・黄・緑・青・藍・紫という、さまざまな色の光が混ざり合っています。雨上がりにかかる虹や、プリズムを通した光が七色に分かれるのは、もともと混ざっていた色がほどけて見えているだけです。

ここまでは、多くの人が知っています。問題はその先です。なぜ昼間の空は青いのに、夕方になると赤くなるのか。同じ太陽、同じ空気なのに、なぜ時間帯で色が変わるのか。教科書には「光の散乱」と書いてありましたが、その四文字だけで本当に納得できた人は、それほど多くないはずです。

散乱の法則を導いたレイリー卿

この空の色の謎に取り組んだのが、19世紀イギリスの物理学者レイリー卿（ジョン・ウィリアム・ストラット）です。彼は1871年頃、空気中のごく小さな粒子に光が当たったとき、光がどのように四方へ散らばるのかを数式で示したとされています。

彼が導いた法則は、シンプルなものでした。

光の散乱されやすさは、波長の4乗に反比例する。

言葉だけだと難しく聞こえますが、覚えておくべき意味は一つです。波長の短い光ほど、桁違いに強く散らばる、ということです。

光の色は、波の長さ（波長）で決まります。赤い光は波長が長く、青い光は波長が短い。赤い光の波長がおよそ700ナノメートル（1ナノメートルは100万分の1ミリ）なのに対し、青い光は約450ナノメートル前後しかありません。

この「4乗に反比例」という関係が、大きな差を生みます。波長がおよそ1.5倍違うだけで、青い光は赤い光に比べて5倍以上も強く散乱されるとされています。これがレイリー散乱です。

昼は青く、夕方は赤い ― 同じ法則が見せる二つの顔

昼の空が青く見える理由

ここからが本題です。なぜ昼の空は青く、夕方の空は赤いのか。同じ法則が、時間によって逆の顔を見せます。

昼間、太陽は私たちの頭の真上に近い位置にあります。太陽の光は、できるだけ短い距離で大気を抜けて、地表に届きます。

このとき、大気中の窒素や酸素の分子に光がぶつかると、レイリー散乱が起こります。強く散らばるのは、波長の短い青い光です。青い光は大気のあちこちで弾かれ、空全体に広がっていきます。

つまり私たちが見上げる青空とは、太陽からまっすぐ届く光ではなく、空中で四方八方に散らばった青い光が、あらゆる方向から目に飛び込んでくる様子です。空が青く光って見えるのは、空気そのものが青い光をまき散らすスクリーンになっているからです。

ちなみに、青よりさらに波長の短い紫の光は、もっと強く散乱されるはずです。それでも空が紫に見えないのは、太陽光に含まれる紫の量がもともと少ないことと、私たちの目が青に比べて紫を感じにくいこと、この二つが重なっているためだと説明されています。

夕方、光が分厚い大気を斜めに貫くとき

夕方を思い浮かべてください。

太陽が地平線へ沈んでいくと、太陽の光が私たちの目に届くまでに通り抜ける大気の距離が、昼間とは比べものにならないほど長くなります。頭上の太陽なら大気を垂直に最短距離で抜けてきますが、地平線近くの太陽の光は、分厚い大気の層を斜めに、長く貫いてこなければなりません。その距離は、昼間の数十倍にも達するとされています。

ここで、レイリー散乱の効果がじわじわと効いてきます。

光が長い大気の旅を続けるあいだ、まず波長の短い青い光が、早々に散らされて失われていきます。次に緑、そして黄色までもが、旅の途中で次々と脇へ弾かれていきます。

そして光路の終着点まで、最後まで散らされずにまっすぐ私たちの目に生き残ってたどり着けるのは、最も散乱されにくい、つまり波長の長い赤や橙の光だけになります。

これが、夕焼けが赤い理由です。青い光が空のどこかへ散り去った後に、最後まで脱落しなかった赤い光だけが、私たちの元に届く。だからこそ、夕焼けの赤は「残りかす」と呼べるのです。七色をまとっていた太陽光が、長い大気の旅で青を、緑を、黄を一枚ずつ脱ぎ捨てていき、最後に残った赤の一枚が地平線の向こうから届く。そう言ってもいいかもしれません。

地平線に沈む夕日が、ただ眩しいだけの光ではなく深く濃い赤に見えるのは、それが長い旅を生き延びた光だからです。

同じ赤でも、日によって違う ― もう一つの散乱

澄んだ日の夕焼けが鮮やかな理由

レイリー散乱は、夕焼けの骨格をよく説明します。ただ、空の色の話はそれだけでは終わりません。

同じ夕方でも、息をのむほど赤い日もあれば、ぼんやりと淡い日もあります。台風一過の夕焼けが澄んで美しいことは、経験的に知られています。この違いを生むのが、大気中に漂う「もう少し大きな粒子」の存在です。

空気の分子よりも大きな塵やほこり、水滴、エアロゾル（大気中に浮かぶ微粒子）に光が当たると、レイリー散乱とは別のミー散乱という現象が起こります。ミー散乱は波長による偏りが小さく、あらゆる色の光をまんべんなく散らします。これが強く働くと、空は白っぽく霞んで、夕焼けの赤も濁ります。

雨上がりの夕焼けが鮮やかなのは、雨が空気中の塵を洗い流し、ミー散乱を引き起こす粒子が減るからだと考えられています。澄んだ大気では、レイリー散乱の「青を散らして赤を残す」効果が、混じり気なく発揮されます。今日の夕焼けは特別きれいだと感じるとき、その空は文字どおり、いつもより澄んでいるわけです。

火山の夕焼け、そして火星の青い夕暮れ

大気の状態が夕焼けを変えるという事実は、地球規模の出来事ともつながっています。

1883年のクラカタウ火山の大噴火では、噴き上げられた火山灰や微粒子が成層圏まで達し、その後数年にわたって世界各地で異様なほど赤く燃える夕焼けが観測されたと伝えられています。空の色は、地球がいまどんな状態にあるかを映し出す指標でもあります。

視線を宇宙へ向けると、この話はさらに広がります。火星では、地球とは逆のことが起きます。火星の夕暮れでは、空が青みがかって見えることが探査機によって確認されています。希薄な大気に漂う細かな塵の散乱特性が地球と異なるため、私たちの常識とは逆の青い夕焼けが現れるのです。空の色を決めているのは太陽でも私たちの目でもなく、その星がまとう大気そのものだということを、火星の夕暮れは示しています。

なぜ昼の空は青く、夕方の空は赤いのか。その根っこの仕組みは、すでに解き明かされています。ただ、刻一刻と表情を変えるその日その時の空の色を完璧に予測することは、大気の状態が無数の要素で揺らぐ以上、今も簡単ではありません。空は毎日見えていながら、まだ完全には予測しきれない対象です。

見上げるたびに起きている物理

この仕組みを知ると、日常の風景の解像度が一段上がります。

夕焼けが赤いのは、青い光が空のどこかへ散らされ、最も散乱されにくい赤い光だけが、分厚い大気の旅を生き延びて私たちの目に届いた結果です。あなたが夕日を赤いと感じるその瞬間にも、頭上では膨大な数の青い光が、見えないところで四方へ弾かれています。

つまり夕焼けを見るという行為は、地球の大気という巨大なフィルターを光が通り抜ける物理現象を、肉眼で目撃しているということです。明日の朝焼けも、夕方の帰り道の空も、すべて同じ法則が描き出すものです。同じ仕組みでありながら、二度と同じ眺めにはならない。それが空の面白いところです。

特別な装置はいりません。西の空を見上げれば、それで足ります。

まとめ ― 残りかすは、最も粘り強い光でもある

「残りかす」と呼んでしまったことを、少しだけ訂正させてください。

たしかに夕焼けの赤は、青い光が散り去った後に残った光です。しかしそれは、長い大気の旅で青を、緑を、黄を一枚ずつ手放しながら、それでも最後まで散らされずに私たちのもとへたどり着いた、最も粘り強い光でもあります。脱落していった色の分まで背負って、地平線の向こうから届けられた、一日の終わりの光です。

整理すると、夕焼けの赤を決めているのは二つの散乱です。波長の短い光ほど強く散らすレイリー散乱が、青を空全体に拡散させ、夕方には長い光路の途中で青や緑を削り取って赤を残します。そこに、大気中の大きな粒子によるミー散乱がどれだけ加わるかで、その日の夕焼けが鮮やかにも、淡くもなります。教科書の片隅にあった「光の散乱」という四文字には、これだけの仕組みが収まっていました。

まだ完全には残っている謎もあります。基本の仕組みは分かっていても、その日その時の空の色をぴたりと言い当てることは、今も簡単ではありません。次に夕焼けに足を止めたとき、あの赤の向こうに散っていった無数の青い光のことを、少しだけ思い出してみてください。