晴れた日の昼間、空は青く見える。しかし夕方には赤くオレンジ色に染まる。宇宙から見た地球は青い惑星と呼ばれる。なぜ空は青いのか——その答えは光の散乱現象「レイリー散乱」にある。
空が青く見える仕組みの起源：レイリー散乱とは
空が青い理由は、イギリスの物理学者レイリー卿（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh、1842〜1919年）が19世紀後半に明らかにした「レイリー散乱」という現象によるものだ。
太陽の光は「白色光」で、虹の七色（赤・橙・黄・緑・青・藍・紫）すべての波長の光が混ざっている。この光が地球の大気（主に窒素と酸素の分子）にぶつかると、光の波長によって散乱する度合いが異なる。短い波長の光（青・紫）ほど強く散乱し、長い波長の光（赤・橙）ほど散乱しにくく直進する性質がある。
具体的には、散乱の強さは波長の4乗に反比例する（レイリーの式）。青色光の波長は約450nm（ナノメートル）、赤色光は約700nmで、青は赤の約(700/450)⁴≒約5.7倍強く散乱される。青い光が大気中で四方八方に散乱して空全体から届くため、空は青く見えるのだ。
なぜ夕焼けは赤いのか
夕方（朝方も同様）に空が赤〜オレンジ色になる理由も、レイリー散乱で説明できる。
- 太陽の光が通る大気層の厚さが変わる 太陽が地平線近くにある夕方・朝方は、太陽の光が大気を斜めに通過する。この経路は太陽が天頂にある昼間より遥かに長く、数十倍以上になることもある。長い経路を通る間に青い光は何度も散乱されて消耗し、散乱されにくい赤〜橙色の光だけが目に届く。
- 赤い夕焼けが「明日は晴れ」の根拠 天気ことわざ「夕焼けは明日晴れ」は気象学的にも概ね正しい。日本の天気は西から東へ変化することが多く、西の空（夕日が沈む方向）が赤く澄んでいれば西に雲がなく乾燥した大気が広がっていることを示す。翌日はその晴天が東（日本）へ移動してくる可能性が高い。
- 火山灰・花粉・砂塵が夕焼けを濃くする 大気中に浮遊する微粒子（エアロゾル：火山灰・PM2.5・黄砂・花粉など）が増えると、散乱がより複雑になって夕焼けが濃い赤・紫色になることがある。大きな火山噴火の後は世界各地で鮮やかな赤い夕焼けが報告される。
光の色と波長：虹はなぜ七色に見えるのか
虹が七色に見える理由も、光の波長と散乱・屈折の関係で説明できる。雨粒の中で太陽の白色光が屈折・反射・再屈折する際、波長ごとに屈折する角度が異なるため色が分かれる。これを「分散」という。
- 虹の七色の波長 赤（700nm）・橙（620nm）・黄（580nm）・緑（550nm）・青（450nm）・藍（430nm）・紫（380nm）。波長が長いほど屈折角が浅く外側（赤）に、短いほど内側（紫）に並ぶ。
- 虹は実際には無数の色のグラデーション 「七色」という分け方はニュートンが決めたもので、実際には連続したグラデーションだ。文化によって虹の色数の認識が異なり、アメリカでは6色（藍なし）、ドイツや一部の国では5〜6色として認識される場合がある。
- 二重虹（副虹） 外側にうっすら見える二重の虹（副虹）は色の順序が逆（外側が紫・内側が赤）になる。雨粒の中で2回反射した光によるものだ。
なぜ宇宙から見た空は黒いのか
宇宙飛行士が撮影した写真では、宇宙空間は漆黒の黒だ。太陽が近くにあっても宇宙は黒い。これもレイリー散乱で説明できる。大気がない（または極めて薄い）宇宙空間では、太陽の光を散乱させる分子がない。光は直進するだけで四方八方に散乱しないため、太陽の方向を向かない限り空間は暗く見える。月面でも同様で、月の空は昼間でも黒く星が見える。
なぜ海は青いのか（空と海の色の関係）
海が青く見える理由には2つある。一つは空の青色が海面に反射しているから。もう一つは水自体がわずかに青い光を吸収しにくく、赤い光をより吸収するためだ。深い水（深海）では赤い光が吸収されて青い光だけが残るため、深い海ほど青く見える。浅瀬では海底の砂や岩の色も透けて見えるため、エメラルドグリーンに見えることもある。
曇りの日はなぜ空が白っぽいのか
曇りの日の空が白〜グレーに見える理由は「ミー散乱」という現象だ。雲の中の水滴や大きな粒子はレイリー散乱よりも大きいため、すべての波長の光をほぼ均等に散乱させる。赤・青・緑すべての光が同じように散乱されて混ざり合うと白（または灰色）に見える。雲が白く見えるのも同じ理由だ。
また、霞（かすみ）や靄（もや）で空が白っぽく見える時も、大気中の微粒子によるミー散乱が起きている。PM2.5（微小粒子状物質）や黄砂が多い日に空が白く霞むのもこのためだ。レイリー散乱が「波長依存性が高い散乱（青い光を特に散乱）」なのに対し、ミー散乱は「波長に依存しない散乱（すべての色を均等に散乱）」という違いがある。
よくある疑問（FAQ）
紫色の光のほうが青より波長が短いのになぜ空は紫じゃないの？
実は紫色の光は青色よりも強く散乱されている。しかし空が青く見える理由は3つある。①太陽光に含まれる紫の量が青より少ない。②人間の目の紫に対する感度が青より低い（視細胞の感度特性）。③強く散乱された紫の光は大気の上層で消費されて地表に届く量が少ない。これらの要因が重なって、私たちの目には空は青く見える。
青空はいつ発見・解明されたの？
空が青い理由をはじめて物理学的に解明したのはレイリー卿（1842〜1919年）で、1871年に「光の散乱と大気の色」に関する論文を発表した。ただしなぜ空が青く見えるかという疑問は古代から哲学者が考えてきた。アリストテレス（紀元前384〜322年）は「空気そのものが青い」と考えていた。レオナルド・ダ・ヴィンチ（1452〜1519年）は光と大気の関係に注目し、「空の青さは光と暗さの混合だ」という観察を残した。レイリーが光の波長と散乱の数学的関係を明らかにするまで、2,000年以上かけて解明されてきた謎だった。
火星の空は何色なの？
火星の空は昼間は赤みがかったピンク〜オレンジ色で、日の出・日没時は青く見えることがある。火星の大気は地球の約100分の1の薄さで主成分は二酸化炭素だ。大気中に浮遊する赤い砂塵（酸化鉄を含む）が太陽光を散乱させるため昼間の空が赤みがかる。逆に日没時は赤い砂塵が赤い光を吸収し、青い光だけが散乱されて空が青く見えるという地球とは逆の現象が起きる。NASAの火星探査機の画像でこの現象が確認されている。
まとめ
空が青い理由は19世紀にレイリー卿が発見した「レイリー散乱」によるものだ。太陽の白色光が大気の分子にぶつかると、波長の短い青い光が長い赤い光の約5.7倍強く四方八方に散乱する。その散乱光が空全体から届くため、空は青く見える。夕焼けが赤い理由は光が大気を通る経路が長くなることで青い光が消耗し赤い光だけが残るためだ。曇りの日が白いのはミー散乱によってすべての色が均等に散乱されるから。宇宙が黒く見えるのは大気がなく散乱が起きないからで、火星では砂塵の影響で逆に日没時に空が青くなるという地球と逆の現象が見られる。この謎は古代から2,000年以上かけて解明されてきたものだ。