夏休みの自由研究

今から間に合う、月や宇宙を学べる夏休みの自由研究(3)空の色のふしぎ。

2016.08.17

お盆もおわり夏休みも後半戦、そろそろ不安になってくる夏休みの宿題。特に自由研究はお子さまにとってはなやみの種ですよね。そこでHAKUTOがめざす月、そして宇宙をテーマに、今からでも間に合うとっておきの自由研究を3つご紹介。3つ目は朝、昼、夕と、空の色が変わる「光のもつ色の性質」。月と地球のちがいについても知ることができます。ぜひ、お子さまとご一緒にご覧ください。

空の色を調べよう

■宇宙からとった地球と月

地球と月のふちの様子を比べてみると、地球のふちには青いおび状の層がありますが、月にはありません。この青い層は大気の層で、月には大気がないので青い層が見られないのです。ふだん私たちが見ている青空は、太陽の光にてらされて青く色づいた大気の層です。でも、夕方になると空がオレンジ色や赤色になるのはどうしてなんでしょう?

■1日の太陽の位置と空の色

空の色は大気を通過する日光の距離によって変わります。その距離が長いと空の色は赤っぽくなります。上のイラストのように、朝と夕方は日光が大気を通過する距離が長くなるので、朝やけや夕やけが見られるんですね。

<実験>色の変化を確かめよう

ペットボトルに入った水を大気の層に見立てた実験です。ライトから遠いペットボトルほど、朝やけや夕やけのようにオレンジ色がこくなるのが分かります。

<準備するもの>

  • 水性ワックス
  • 水の入ったペットボトル(5本)
  • LEDライト(白色)
  • きろく用カメラ
  • 着色用の色えんぴつなど

<実験の順番>

  1. 水の入ったペットボトルに少量の水性ワックスを入れて、LEDライトを当てる。
  2. ペットボトルに当てた色の変化をきろくしよう。

<かいせつ>青空や夕やけは月では見られない

青空や夕やけは月では見られません。それは、地球の大気と関係があることが分かります。太陽が地平にしずんでしまうと地上は真っ暗になり、全ての物が色をうしないます。ということは、太陽の光も空の色の原因の一つといえるのです。

■地球の大気は…

大部分は、ちっ素、酸素などの分子で構成されています。その他にも、ほこりやちり、砂や塩などの小さなつぶも浮遊(ふゆう)しています。太陽の光は白色で、いろいろな波長(はちょう)の光が集まっています。

■空はなぜ青い?

太陽の光が地球に近づくと、大気中の微小(びしょう)なものにぶつかり、光は四方八方に飛びちります(これを「散乱(さんらん)」といいます)。ちりや砂などは地球の引力のため、大気の下の方にただよっていますから、光が最初にぶつかるのはちっ素や酸素の分子などです。光の波長よりも小さいちっ素や酸素の分子に光が当たると散乱が起きます(このことを発見した英国の物理学者レイリーの名をとってレイリー散乱といいます)。レイリー散乱の強さは、波長が短い(青)ほど大きく、長い(赤)と小さくなります。したがって、大気で散乱した青や藍(あい)の光が、あらゆる方向から私たちの目に入って来るため、空は全体が青く見えるのです。

■夕やけはなぜ赤い?

日中は、太陽の光が頭上に近い方から来るので、光が大気を通過する距離は約10kmくらいですが、夕方になり太陽が地平線近くにくると、太陽の光は大気をななめに、長い距離(約160km)を通過してきます。このとき、波長の短い青色などの光は途中で散乱してしまい、私たちの目にとどくのは、波長の長い赤色やだいだい色の光だけになってしまいます。

<実験のかいせつ>青い光が散乱し、赤い光が先までとどく

■ペットボトルの水に水性ワックスを少量入れた理由

ワックスのつぶが青の光の波長(0.5μmくらい)より小さなつぶ(0.1μmくらい)であるため、レイリー散乱が見られるからです。ここでは、1Lの水に5mL(小さじ1杯くらい)加えました。

  • 水に溶けたつぶが多すぎると光が通らなくなり、少なすぎるとレイリー散乱が見られなくなるので、いろいろと分量を変えてみましょう。
  • レイリー散乱が見られそうなものとして、スポーツドリンク、乳酸飲料(にゅうさんいんりょう)水などがあります。みなさんもためしてみてください。

■詳しくはこちら!

JAXA宇宙教育センター「空はなぜ青いの?夕焼けはなぜ赤いの?-宇宙の学校 家庭学習用教材-」
http://edu.jaxa.jp/materialDB/detail/79188

※本ページの記事はこちらの掲載内容を参照して構成したものです。

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