水は透明なのに、空に浮かぶ雲は白く見えます。

しかも、同じ太陽の光を受けているのに、空は青く、雲は白く見えます。

シンプルな答え

この違いには、光を散らしているものの大きさが関係しています。

雲をつくる小さな水滴は、太陽光に含まれる赤・緑・青などの光を、比較的まんべんなく散乱します。

さまざまな色の光が混ざったまま私たちの目に届くため、雲は白く見えます。

空は青いのに、なぜ雲は白い？

ここが少し不思議なところです。

空が青く見えるのも、雲が白く見えるのも、どちらも太陽光の「散乱」が関係しています。

ただし、光を散らしているものが違います。

青空では、主に窒素や酸素などの非常に小さな大気分子が光を散乱しています。この場合、波長の短い青い光ほど強く散乱されるため、空は青く見えます。

一方、雲をつくる水滴は大気分子よりずっと大きく、可視光のさまざまな波長を比較的同じように散乱します。赤だけ、青だけが目立つのではなく、さまざまな色が一緒に目へ届くため、白く見えるのです。

図で見ると

青空

太陽光
↓
小さな大気分子
↓
青など短い波長の光が強く散乱
↓
空が青く見える

白い雲

太陽光
↓
雲の水滴
↓
さまざまな色の光を比較的まんべんなく散乱
↓
赤＋緑＋青などが混ざって目に届く
↓
雲が白く見える

つまり、空と雲の色の違いは、

「何が光を散らしているか」

を見ると理解しやすくなります。

水そのものは透明なのに、なぜ水滴が集まると白くなる？

コップに入った水は透明です。

ところが、非常に小さな水滴が大量に集まると、光は水滴と空気の境界で何度も方向を変えながら散らされます。

雲には膨大な数の小さな水滴があります。それぞれの水滴が光をさまざまな方向へ散らすため、雲全体から白い光が届いているように見えます。

NASAの資料でも、雲や雪、泡などが白く見える理由として、多数の小さな構造によって光がランダムに散乱されることが説明されています。

身近なところでは、透明な氷の塊よりも、細かく砕いた氷が白っぽく見えるのも似た現象です。

「ミー散乱」と呼ばれることもある

大気分子のように光の波長よりかなり小さな粒子による散乱は、青空の説明で登場した「レイリー散乱」で扱えます。

一方、雲の水滴のように粒子が大きくなると、光の散乱の性質も変わります。こうした領域の散乱は「ミー散乱」と呼ばれます。

NOAAは、雲の水滴による散乱では可視光の各波長の違いが小さくなり、結果として白く見えると説明しています。

小さな大気分子 → 青を強く散乱する
大きな雲粒 → さまざまな色を比較的まんべんなく散乱する

と比較したほうが、仕組みは理解しやすいでしょう。

では、雨雲が灰色や黒っぽく見えるのはなぜ？

雲はいつでも真っ白とは限りません。

厚い雲では、入ってきた太陽光が内部で何度も散乱します。その結果、雲の下側まで届く光が少なくなります。

上から太陽に照らされた雲の上部は明るい白色でも、地上から見ている雲底は十分な光が届かず、灰色や暗い色に見えることがあります。

そのため、

「雨雲には黒い物質が入っているから黒い」

というわけではありません。

雲の厚さや光の届き方によって、同じ水滴からできた雲でも明るさが大きく変わります。

夕方の雲が赤やオレンジになるのは？

夕焼けの時間になると、白いはずの雲まで赤やオレンジ色になることがあります。

これは、雲そのものの性質が変わったわけではありません。

夕方は太陽光が長い距離を大気中で進むため、青など短い波長の光が途中で多く散乱されます。

その結果、雲へ届く光そのものが赤やオレンジに偏ります。

雲はその届いた光を散乱するので、夕方には赤やオレンジ色に染まって見えるのです。

以前の記事で扱った「空はなぜ青い？」と、実は同じ光の散乱の続きとして説明できます。

1問クイズ

雲が白く見える主な理由はどれでしょう？

A. 雲の水が白色だから
B. 海の白い光を反射しているから
C. 雲の水滴がさまざまな色の光を比較的まんべんなく散乱するから
D. 青い光だけを吸収しているから

正解：C

雲の水滴は、太陽光に含まれる可視光のさまざまな波長を比較的同じように散乱します。それらが混ざって目に届くため、雲は白く見えます。

関連する疑問

  • 空はなぜ青い？
  • 雨雲が黒っぽく見えるのはなぜ？
  • 霧が白く見えるのはなぜ？
  • 夕焼けが赤く見えるのはなぜ？

今回確認した資料

NOAA JetStream「The Color of Clouds」
NOAAの資料を確認する

Met Office「Why are clouds white?」
Met Officeの資料を確認する

NASA Earth Observatory「Crepuscular Rays and Light Scattering」
NASAの資料を確認する

光