レイリー散乱とその自然界での影響
レイリー散乱は、電磁波（例えば光）が、その波長よりもはるかに小さい粒子や障害物に遭遇した際に起こる散乱の一種です。この現象は19世紀後半にイギリスの物理学者、レイリー卿によって初めて記述されました。レイリー散乱では、散乱された光の強度は波長の4乗の逆数に比例します（I ∝ 1/λ4）。これは、短い波長（例：青色や紫色の光）が長い波長（例：赤色や黄色の光）よりも効率的に散乱されることを意味します。しかし、私たちの目は紫色の光よりも青色の光に敏感であるため、散乱された光は主に青色として認識されます。
レイリー散乱は、自然界で観察されるいくつかの光学現象の原因となっています：
青い空
日中の空の青色は、レイリー散乱の結果です。太陽光が地球の大気を通過する際、短い波長の光（青色と紫色）が長い波長の光（赤色や黄色）よりも多く散乱されます。この散乱された青色の光が、私たちが空の色として知覚するものです。一方、直接届く太陽光は、短い波長が優先的に散乱されているため、黄色っぽく見えます。
赤やオレンジの夕焼け
日の出と日の入りの際、太陽の光線は地球の大気をより大きな部分を通過するため、短い波長の光がさらに多く散乱されます。これにより、長い波長の光（赤、オレンジ、黄色）の割合が観察者に届くため、日の出と日の入りの特徴的な赤やオレンジの色合いが生じます。
星のきらめき
地球の表面から観察される星のきらめきや閃光も、部分的にはレイリー散乱によるものです。星光が地球の大気を通過する際、空気分子によって光が散乱され、観察者に届く星光の強度と色が変動します。
レイリー散乱は、さまざまな科学分野において実用的な応用があります：
大気科学
レイリー散乱は、地球の大気の組成や特性の研究、および放射予算の研究に使用されます。これは、気候変動を理解する上で重要な役割を果たします。
リモートセンシング
地球の表面と大気との相互作用に依存するリモートセンシング技術、例えば衛星画像撮影やライダー（Lidar）では、レイリー散乱が考慮されます。
分光法
ラマン分光法では、分子の振動モードに関する情報を提供する技術で、レイリー散乱が基準として使用されます。これにより、化学化合物の同定や分析が可能になります。
自然界のさまざまな光学現象を解釈するためにも、科学技術の応用においても、レイリー散乱とその効果を理解することが不可欠です。
散乱の概要
散乱は、電磁波が障害物や粒子に遭遇して方向を変えたり、広がったり、エネルギーを再分配する現象です。散乱は光学、大気科学、リモートセンシングなど多くの物理学の分野で重要な役割を果たします。
レイリー散乱
粒子や障害物のサイズが入射電磁波の波長よりもはるかに小さい場合に発生します。レイリー散乱では、散乱された光の強度が波長の4乗の逆数に比例し、空の青色を引き起こします。
ミー散乱
粒子や障害物のサイズが入射電磁波の波長と同程度の場合に発生します。ミー散乱は波長に依存しにくく、雲のようにすべての方向に光を散乱し、白や灰色の外観を与えます。
幾何学的または鏡面散乱
障害物や粒子のサイズが入射電磁波の波長よりも大きい場合に発生します。反射や屈折などの幾何光学の法則に従います。
多重散乱
電磁波が粒子や障害物の集合体と複数回相互作用することもあり、エネルギーのより複雑な再分配が生じます。これは、温室効果ガスによる熱の地球大気への閉じ込めなど、多くの現象の理解に重要です。
