【ミー散乱】雲が白い【レイリー散乱】青空、夕日

雲が白く見えるのは
ミー散乱が原因である
◯(答)
×レイリー散乱?
0%

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火星で見られる
夕焼けは赤い
×(答)
○青い
引用元:「ラマン効果」散乱光中の入射光と異なる光の振動数が観測 「レイリー散乱」空の色が青く見える「ミー散乱」雲の色が白く見える 「火星の夕焼けは青い」大気成分の違いにより、地球より赤い光が散乱しやすいから https://seethefun.net/%e7%90%86%e7%b3%bb%e5%ad%a6%e5%95%8f/11390/


晴天の真昼は、地表から見れば、太陽の高さは高く、頭上方向から光が射しています。(太陽光は大気層に垂直に近い角度で入射します。)

一方、夕方や明け方は、地表から見れば、太陽の高さは低く、水平方向から光が射してきます。(太陽光は大気層に対して非常に浅い角度で入射します。)

従って、相対的に、真昼は太陽光が通過する大気層の距離は短く、夕方や明け方はその距離が長くなります。つまり、太陽光が通過する大気層中の通過距離(大気層の厚み)が真昼と朝夕では格段に異なることになり、これが原因で、光の散乱のされ方が違ってしまうため、以下のような仕組みで、青空に見えたり、夕焼けに見えたりすることになる訳です。

晴天真昼の場合、太陽光が通過する大気層中の距離が短いため、可視域の長波長光成分(赤~橙色に見える)の散乱量は少なく、専ら可視域の短波長光成分(紫~青色に見える)が散乱して空一杯に広がるため、空全体が青く染まって見えることになります。≪※2≫

一方、夕方や明け方の場合は、太陽光が通過する大気層中の距離が真昼より格段に長くなるため、短波長光成分は真昼よりも更に散乱され続け、地表に到達した時(観察者の眼に入る時)には、短波長成分は残り僅かの状態になってしまいます。それに対して、散乱されにくい長波長光成分は、それでも長い距離を通過するにつれて、或る程度の量が散乱され、太陽光の進路の周辺に広がりますが、空全体に広がるまでには至りません。

結局、太陽から直接人間の目に到達する光は、短波長成分が非常に少なく、長波長成分は一部散乱されつつもまだかなりの量が残っている状態になっていることになり、太陽自体は真っ赤に見え、また、太陽方向の周辺の空に散乱された長波長光成分が広がり、赤く染まって見えることになります。

このように、日中晴天が青く見えるのも夕焼けが赤く見えることも、原因は全く同じレイリー散乱という現象なのです。

ただ、その散乱現象を観察する条件が、真昼と夕方(明け方)とで異なるだけで、あれほど鮮やかな色の違いとして現れる訳で、自然の演出には改めて驚かされます。

大気中には、様々な大きさの粒子が浮遊していますが、その中で比較的大きな粒子は水滴です。雲の正体は大気中に浮かんだ水滴群であることはよく知られています。この水滴群がなぜ白く(無彩色に)見えるのでしょうか?

これも、散乱の理論で説明されます。雲を形成する水滴は、太陽からの光(可視光)の波長に比べて同程度ないしはそれより大きい粒子になっています。従って、このような水滴に光が当たると、ミー散乱が起こります。ミー散乱では、可視光のどの波長も同じように散乱されますので、観察者の眼に入ってくる雲からの散乱光は、どの波長の光もほぼ均等に入ってくることになり、その結果、無彩色に見えることになります。雲にも色々種類がありますが、例えば入道雲は真っ白く見えるのに、雨雲は暗い灰色に見えます。いずれも無彩色ですが、なぜ、このように違って見えるのでしょうか?

雨雲の場合は、観察者の頭上に厚い雲があり、その向こうに太陽がある、という位置関係になります。太陽からの光は雲の水滴群でミー散乱を受けますが、観察者方向に散乱された光は、その行く手にまだまだ厚い水滴群の層があるため、多重散乱および吸収を受け、雲の水滴群層を突き抜けて観察者の眼に到達する光は非常に少なくなってしまい、その結果、非常に暗く見える(黒く見える)ことになります。

一方、入道雲が見えるのは、観察者が入道雲に正対していて、太陽が観察者の背後あるいはそれに近い方向(少なくとも横方向)から雲を照らしている状態です。太陽の光が水滴群でミー散乱を受けますが、観察者方向に散乱された光は、多重散乱や吸収をあまり受けずに、観察者の眼に飛び込んできます。つまり、太陽光は雲の水滴群によってあまり減衰せずに観察者の眼に到達しますので、明るく見える(白く見える)訳です。

巨視的に表現すれば、雨雲の場合は、雲の透過散乱光を見ており、入道雲の場合は、雲の反射散乱光を見ていることになります。従って、入道雲であってもその真下に観察者が居る場合には真っ白には見えず、暗い雨雲として見えることになりますし、また、雨雲の上を飛ぶ飛行機からは、雨雲であっても真っ白に見えます。

引用元:第21回 青空・夕焼け・白い雲|CCS:シーシーエス株式会社 https://www.ccs-inc.co.jp/guide/column/light_color/vol21.html

レイリー散乱とミー散乱 Rayleigh and Mie scattering
 電磁波の伝搬路に電気的構造の不連続な変化がある場合、その領域に誘発される表面電流や分極電流による電磁波の再放射現象を散乱という。電磁場と散乱体との間のエネルギーの授受の有無によって、散乱光の波長が変化しない弾性散乱と波長が変化する非弾性散乱に分けられる。弾性散乱には、レイリー散乱やミー散乱(van de Hulst, 1981; Bohren, 1983)があり、どの散乱過程が卓越するかは、波長λと散乱体の粒径 r の関係を示す粒径パラメータ x = 2πr /λ の大きさによって決まる。図1に、入射波長と粒子半径に対する散乱過程の関係を示す。可視光の波長領域では、空気分子はレイリー散乱、ダスト・スモッグ・ヘイズなどのエアロゾル粒子はミー散乱に分類される。さらに粒子サイズが波長よりも大きい雨滴などの散乱は、幾何光学近似で表現できるようになる。また、非弾性散乱には、分子の振動準位や回転準位などの分子エネルギー準位間の遷移に伴い、入射光とは異なる波長の光が散乱されるラマン散乱などがある。

レイリー散乱
粒径パラメータ x < < 1 の場合は、入射場の変動が散乱体全体に瞬時に発生して、表面の電磁場を静電磁場で近似できるようになる。レイリー散乱は、散乱強度が入射波長の4乗に反比例し、前方と後方の散乱強度はほぼ同程度になる(等方散乱という)。空気分子や微小な粒子に白色光が照射されると、レイリー散乱により短波長である青色の光ほど強く散乱される。一方、光路長が長くなると強く散乱される青色の光ほど減衰が大きくなり、長波長側の赤色の散乱成分が卓越するようになる。日中には空が青く見え、太陽放射が大気を通過する際の光路長が延びる夕方に赤く見えるのは、このレイリー散乱過程に起因している。 ミー散乱 粒径パラメータ x ≒ 1になると、入射場の変動に対して散乱体に誘発される表面電流や分極電流に時間差を生じる。この過渡電流により共振現象が発生して、複雑な強度変動が現れる。球形粒子に対するこのような散乱現象をミー散乱とよび、大気では、エアロゾルや液相の雲粒の光散乱に関与する。ミー散乱過程は、粒径や光の波長のほか、物質固有の散乱・吸収特性を示す複素屈折率に依存する。 引用元:レイリー散乱とミー散乱 Rayleigh and Mie scattering – aerosolpedia エアロゾルペディア https://sites.google.com/site/aerosolpedia/yong-yurisuto/guang-san-luan/3