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太陽の光は白く見えますが、じつは虹のすべての色がまざっています。空気の中を通るとき、青い光はほかの色よりずっとたくさん、あちこちにはね返されます。だから空のどこからでも青い光が目にとどいて、空が青く見えるのです。

白い太陽の光はいろいろな色がまざったもので、色ごとに波長が違います。青は波長が短く、赤は長いのが特徴です。空気中の分子は、波長の短い光ほど大きく向きを変えます。これを散乱といいます。四方八方に散乱された青い光が、空いっぱいに広がるのです。

これはレイリー散乱です。窒素や酸素の分子は光の波長よりはるかに小さく、波長が短いほど光を強く散乱します。そのため青（約 450 nm）は赤（約 700 nm）よりずっと強く散乱されます。紫はさらに強く散乱されますが、太陽が出す紫の光は少なく、人の目も紫にはあまり敏感ではありません。夕方には光がずっと長く大気の中を進むため、途中で青が失われ、赤が残ります。

λ より十分小さい散乱体では、レイリー散乱の散乱断面積は λ⁻⁴ に比例する。450 nm と 700 nm を比べると、青は赤の約 5.9 倍散乱される。空のスペクトルは、太陽スペクトルを λ⁻⁴ と視線方向の光学的厚さで重みづけしたものであり、夕方には光路が長くなるため青が大きく減衰する。散乱光は偏光してもおり、太陽から 90° の方向で偏光が最も強い。偏光フィルターで空が暗く写るのはこのためである。

双極子近似では、分子1個あたりの散乱断面積は σ(λ) = (8π/3)·k⁴·|α|²（k = 2π/λ）であり、これに屈折率の分散と、分子の異方性を表す King 因子（空気では ≈1.05）による補正を加える。散乱スペクトルは短波長側ほど大きくなるが、知覚される色合いはこれを CIE 等色関数で積分して得られる。450 nm 以下で目の感度が低いため、色相は紫から青へずれる。放射伝達モデルではさらに多重散乱とエアロゾルによるミー（Mie）消散を考慮し、これにより地平線に近づくほど空の彩度が下がる。