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大気光学は「大気または大気過程の生成物の光学的特性の研究であり、肉眼で識別できる以上の時間的および空間的分解能を含む」[ 1 ] 。気象光学は「大気光学のうち、肉眼で観察できるパターンの研究に関わる部分」[ 2 ]である。しかしながら、この2つの用語は時として同義語として使われることがある。
本稿で説明する気象光学現象とは、地球大気の光学的特性が、いかにして幅広い光学現象や視覚現象を引き起こすかに関わる現象である。気象現象の例としては、以下のようなものがある。
視覚的錯覚の一種として注目すべきその他の現象には、以下のようなものがある。
気象光学に関する書籍は16世紀に出版されたが、1950年頃からこの主題に関する書籍が数多く出版されている。[ 6 ]このテーマは、1954年にマルセル・ミンナート著『屋外の光と色』が広く普及したことで普及した。 [ 7 ] [ 8 ]
イブン・アル＝ハイサムは『光学の書』（西暦1011～22年）の中で、視覚は脳で起こるものであり、個人の経験が人々の見るものや見方に影響を与え、視覚と知覚は主観的なものであると主張した。太陽と月が地平線付近では空高くにあるときよりも大きく見える理由についてプトレマイオスの屈折説に反論し、彼は問題を実際の拡大ではなく知覚された拡大という観点から再定義した。彼は、物体の距離を判断するには、物体と観察者の間に途切れることのない介在物体が存在する必要があると述べた。重要な点として、イブン・アル＝ハイサムは、物体の大きさを判断するには、その物体が判断する距離に依存すると述べた。近くにあるように見える物体は、網膜上で同じ像の大きさを持つ遠くにあるように見える物体よりも小さく見える。頭上にある月の場合、途切れることのない介在物体の連続はない。したがって、月は遠く小さく見える。地平線上の月の場合、観察者と地平線の間に物体が途切れることなく連続しているため、月は遠く大きく見える。イブン・アル＝ハイサムの説明に基づくロジャー・ベーコン、ジョン・ペチャム、ウィテロの研究により、月の錯覚は徐々に心理現象として受け入れられるようになり、17世紀にはプトレマイオスの理論は否定された。[ 9 ] 100年以上にわたり、月の錯覚に関する研究は、人間の知覚を専門とする心理学者である視覚科学者によって行われてきた。ロスとプラグは、2002年の著書『月の錯覚の謎』 でさまざまな説明を検討した後、「単一の理論が勝利を収めたことはない」と結論付けた。[ 10 ]
空からの光の色は、太陽光のレイリー散乱の結果であり、その結果、青色として知覚されます。晴れた日には、レイリー散乱によって空は青のグラデーションになり、天頂付近が最も暗く、地平線付近が最も明るくなります。天頂から来る光線は、空気塊を通過する最短経路（1/38）を通るため、散乱が少なくなります。地平線から来る光線は、空気中を通過する最長経路を通るため、散乱が多くなります。[ 11 ]
地平線が青く見えるのは、遠くから来る青い光も優先的に散乱されるためです。この結果、遠くの光源が赤方偏移し、視線上の散乱光の青みがそれを補正します。言い換えれば、赤い光も散乱します。観測者から遠く離れた地点で散乱した場合、青い光よりも観測者に届く可能性がはるかに高くなります。したがって、無限遠に近い距離では、散乱光は白くなります。そのため、遠くの雲や雪に覆われた山頂は黄色に見えます。[ 12 ]この効果は晴れた日には目立ちませんが、雲が視線を覆って散乱した太陽光の青みを弱めているときには非常に顕著になります。
分子サイズの粒子（空気中など）による散乱は、横方向よりも前方および後方方向の方が大きい。[ 13 ] 白色光にさらされた個々の水滴は、色のついた輪のセットを作り出す。雲が十分に厚い場合、複数の水滴からの散乱によって色のついた輪のセットが洗い流され、色あせた白色になる。[ 14 ]サハラ砂漠 からの砂塵は、亜熱帯高気圧の南縁を回り、夏の間、米国南東部に移動し、空の色を青から白に変え、夕焼けが赤くなる頻度を増やす。砂塵の存在は、空気中の微粒子の数を増やすため、夏の間、大気質に悪影響を与える。 [ 15 ]
空は、赤、オレンジ、ピンク、黄色（特に日没や日の出の頃）など、さまざまな色に変化し、夜には黒くなります。また、散乱効果によって空からの光は部分的に偏光し、太陽から90度の角度で最も顕著になります。
天空輝度分布モデルは、国際照明委員会（CIE）によって、昼光設計計画のために推奨されています。最近の開発は、晴天から曇天までの気象条件における天空輝度をモデル化する「全天モデル」に関するものです。[ 17 ]
地球から見た雲の色は、雲の内部で何が起こっているかをよく表しています。対流圏の濃い深い雲は、可視スペクトル全体で高い反射率（70%～95%）を示します。小さな水粒子が密集しているため、太陽光は反射される前に雲の奥深くまで届かず、特に上空から見たときに雲に特徴的な白色を与えます。[ 18 ]雲粒は光を効率的に散乱する傾向があるため、太陽放射の強度はガスの深さとともに減少します。その結果、雲底は、雲の厚さと、観測者に反射または透過される光の量に応じて、非常に薄い灰色から非常に濃い灰色まで変化する可能性があります。薄い雲は白く見えるか、周囲の環境や背景の色を帯びているように見えることがあります。対流圏上層および非対流圏の雲は、氷晶および/または過冷却水滴のみで構成されている場合は、ほとんどが白く見えます。
対流圏雲が成熟するにつれて、密度の高い水滴が結合してより大きな水滴を形成し、それらが結合して雨として降るのに十分な大きさの水滴を形成することがあります。この蓄積の過程により、水滴間の空間がますます大きくなり、光が雲の奥深くまで届くようになります。雲が十分に大きく、内部の水滴が十分に離れている場合、雲に入った光の一部は吸収される前に反射されずに戻ってくる可能性があります。その簡単な例として、濃い霧よりも激しい雨の方が遠くまで見渡せることが挙げられます。この反射/吸収の過程が、雲の色が白から黒まで変化する原因です。[ 19 ]
雲には他にも自然に存在する色があります。青みがかった灰色は、雲の中で光が散乱した結果です。可視スペクトルでは、青と緑は光の可視波長の短い端にあり、赤と黄色は長い端にあります。[ 20 ] 短い光線は水滴によって散乱されやすく、長い光線は吸収されやすいです。青みがかった色は、雲の中の雨粒サイズの水滴によってそのような散乱が生じている証拠です。緑色を発する積乱雲は、激しい雷雨の兆候であり、[ 21 ]大雨、雹、強風、そして竜巻の可能性を伴います。緑色の雷雨の正確な原因はまだ不明ですが、光学的に非常に厚い雲を通過する赤みがかった太陽光の組み合わせによるものかもしれません。黄色の雲は、森林火災シーズンの晩春から初秋にかけて発生することがあります。黄色の色は、煙の中に汚染物質が存在するためです。二酸化窒素の存在によって生じる黄色の雲は、大気汚染レベルの高い都市部で時折見られる。[ 22 ]
赤、オレンジ、ピンク色の雲は、ほぼ日の出と日没時にのみ発生し、大気による太陽光の散乱の結果です。 日の出直後や日没直前のように、太陽と地平線の間の角度が 10 パーセント未満になると、太陽光は屈折により赤くなりすぎて、赤みがかった色以外の色は見えなくなります。[ 21 ] 雲がその色になるのではなく、その時間帯に優勢な、散乱されていない長い太陽光線を反射しているのです。その効果は、白いシーツに赤いスポットライトを当てた場合とよく似ています。大きく成熟した積乱雲と組み合わさると、血のように赤い雲ができます。雲は近赤外線では暗く見えます。これは、水がその波長の太陽放射を吸収するためです。
ハロ（ἅλως、別名ニンバス、アイスボウ、グロリオール）は、太陽や月の光が大気中の氷晶と相互作用することによって生じる光学的現象で、空に色付きまたは白色の弧、輪、斑点として現れます。 [ 23 ]多くのハロは太陽や月の近くにありますが、他の場所や空の反対側にも現れることがあります。また、ダイヤモンドダストと呼ばれる氷晶が近くの空気中に浮遊している非常に寒い天候では、人工光の周りにも形成されることがあります。[ 24 ]
氷のハローには多くの種類があります。これらは、対流圏上層部の高度5 キロメートル (3.1マイル)から10 キロメートル (6.2マイル)にある巻雲または巻層雲の氷の結晶によって生成されるか、非常に寒い天候のときに、低高度で空気中に漂うダイヤモンド ダストと呼ばれる氷の結晶によって生成されます。 [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 結晶の特定の形状と向きが、観測されるハローの種類を決定します。光は氷の結晶によって反射および屈折され、分散のために色に分かれることがあります。結晶はプリズムや鏡のように振る舞い、その面の間で太陽光を屈折および反射し、特定の方向に光の筋を送ります。[ 23 ]円形のハローの場合、好ましい角度距離は、それを生成する氷の結晶から22 度と 46 度です。 [ 28 ]ハロなどの大気現象は、気象予報の経験的手段として気象伝承の一部として利用されており、その存在は温暖前線とその関連する雨の接近を示している。[ 29 ]
幻日は一般的なハロの一種で、太陽の左右に約22°の距離で、地平線から同じ高度に、わずかに色づいた明るい点が2つ現れる現象です。幻日は一般的に板状の六角形の氷の結晶によって引き起こされます。[ 25 ] [ 26 ] これらの結晶は空気中を沈むにつれて水平に並ぶ傾向があり、太陽光を左右に屈折させ、2つの幻日を生み出します。[ 26 ] [ 25 ]
太陽が高く昇るにつれて、結晶を通過する光線は水平面からますます傾きます。その偏角は大きくなり、幻日は太陽から遠ざかります。[ 30 ] しかし、幻日は常に太陽と同じ高度に留まります。幻日は太陽に最も近い側が赤色です。さらに遠ざかるにつれて、色は青または紫に変化します。[ 25 ] しかし、色はかなり重なり合っているため、くすんでおり、純粋または鮮やかな色になることはまれです。幻日の色は最終的に幻日環の白に溶け込みます（後者が見える場合）。
理論的には、他の惑星や衛星で見られる幻日の形状を予測することは可能です。火星には、水氷とCO2氷の両方で形成された幻日が存在する可能性があります。巨大ガス惑星である木星、土星、天王星、海王星では、他の結晶がアンモニア、メタン、その他の物質の雲を形成し、 4つ以上の幻日を持つハローを生成する可能性があります。[ 31 ]
水滴が関わる一般的な光学現象として、グローリーがあります。[ 23 ] グローリーは、均一な大きさの水滴の雲によって光源に向かって後方散乱（回折、反射、屈折の組み合わせ）された光によって生じる光学現象で、観察者の頭上に聖人の光輪のように見えるものです。グローリーには複数の色のリングがあり、最も外側のリングは赤色、最も内側のリングは青色/紫色です。[ 32 ]
角度距離は虹よりもはるかに小さく、水滴の大きさによって5°から20°の範囲です。グローリーは、観察者が太陽と屈折する水滴の雲の間に直接いる場合にのみ見ることができます。そのため、飛行機の影が雲に映るときにグローリーが見られるため、飛行中によく観察されます（これはしばしば「パイロットのグローリー」と呼ばれます）。グローリーは、観察者のレベルより下に雲や霧がある場合、または地上霧が発生する日には、山や高層ビルからも見ることができます[ 33 ]。グローリーは光学現象である対日点に関連しています。
虹は、多数の水滴（通常は雨粒）が太陽光に照らされて白色光を分散させることで生じる、細長い多色の半円弧です。したがって、条件が整えば、虹は常に太陽の真反対の空域に現れます。地上の観察者にとって、見える弧の大きさは地平線からの太陽の高さによって決まります。太陽が地平線にあるときは、半径42°の完全な半円になります。しかし、太陽が空に昇るにつれて弧は小さくなり、太陽が地平線から42°以上になると見えなくなります。半円以上の虹を見るには、観察者は飛行機や山頂などから水滴を見下ろす必要があります。虹は夏の午後のにわか雨の際に最もよく見られます。[ 34 ]
雨滴の配列の背面からの単一の反射により、外側が赤、内側が青/紫で角度サイズが 40° ～ 42° の虹が生成されます。これは主虹として知られています。主虹の外側 10° ほど離れたところに、より淡い副虹が見られることがよくあります。これは、雨滴内部での 2 つの内部反射によるものです。結果として生じる副虹の幅は約 3° で、色は反転し、外側が青/紫になります。2 つの内部反射により、角度サイズが 50.5° ～ 54° で、外側が青/紫の虹が生成されます。[ 34 ]二重虹の間の領域は、主虹の内側の空と副虹の外側の空よりも明らかに暗くなることがよくあります。これはアレクサンダー暗帯として知られています。空の明るさがこのように低下する理由は、主虹の範囲内の空からの光は水滴の反射によるものであり、副虹の外側の光も水滴の反射によるものであるのに対し、虹と虹の間の領域では観測者の方向に光を反射する仕組みがないためである。一般的に、水滴が大きいほど虹は明るくなる。
虹は連続した色のスペクトルに広がっています。はっきりとした帯（帯の数を含む）は人間の色覚の産物であり、虹の白黒写真にはいかなる種類の帯も見られません（強度が滑らかに変化して最大値に達し、弧の反対側で最小値に薄くなるだけです）。通常の人間の目で見える色については、英語で最もよく引用され記憶されている順序は、アイザック・ニュートンの7つの色、赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫です（Roy G. Bivのような記憶術でよく覚えられています）。[ 35 ]
蜃気楼とは、光線が屈折して遠くの物体や空の像がずれて見える、自然界で起こる光学的現象です。この言葉は、フランス語のmirageを経て英語に入り、さらにラテン語のmirare （見る、驚嘆する）に由来します。これは「mirror」や「to admire」と同じ語源です。また、アラビア語のmirageにも語源があります。
幻覚とは異なり、蜃気楼は実際に光線が屈折して観察者の位置に偽像を形成するため、カメラで捉えることができる現実の光学的現象です。しかし、その像が何を表しているかは、人間の心の解釈能力によって決まります。例えば、陸上の不鮮明な像は、小さな水面からの反射と非常に簡単に間違えられます。
蜃気楼は、「下蜃気楼」（低い方を意味する）、「上蜃気楼」（高い方を意味する）、そして「ファタ・モルガーナ」に分類できます。ファタ・モルガーナは上蜃気楼の一種で、非常に精巧な一連の垂直に積み重なった像から成り、急速に変化する一つの蜃気楼を形成します。
グリーンフラッシュとグリーンレイは、日没直後または日の出前に発生する光学的現象で、太陽の上に緑色の点が見える（通常は1～2秒以内）か、日没地点から緑色の光線が上空に伸びる現象です。グリーンフラッシュは実際にはさまざまな原因から生じる現象のグループであり、発生頻度もそれぞれ異なります。[ 36 ]グリーンフラッシュはあらゆる高度（航空機からでも） から観測できます。通常は海の上など遮るもののない地平線で見られますが、雲頂や山頂でも発生する可能性があります。
月の緑色の閃光や、金星や木星を含む地平線上の明るい惑星も観測できる。[ 37 ] [ 38 ]
この光学的現象は、大気ダクトが形成された急激な温度逆転層で、光線が異なる温度の空気層を通過する際に強く屈折するため発生します。 [ 39 ] 温度逆転とは、かなり冷たい空気層の上に、明確に定義された暖かい空気層が存在する大気の状態です。この温度逆転は通常の場合とは逆です。通常、空気は地表付近で暖かく、上空では冷たくなります。穏やかな天候では、かなり暖かい空気層が冷たく密度の高い空気の上に存在し、屈折レンズのように作用する大気ダクトを形成し、一連の倒立像と正立像を生成します。
ファタ・モルガーナは、非常に複雑で珍しい蜃気楼の一種で、上位蜃気楼の一種です。他の多くの上位蜃気楼と同様に、地平線のすぐ上に狭い帯状に現れます。これはイタリア語で、「妖精」を意味する俗ラテン語とアーサー王伝説の魔術師モーガン・ル・フェイに由来し、[ 40 ]メッシーナ海峡でよく見られるこの蜃気楼は、空中に浮かぶ妖精の城[ 41 ]、あるいは彼女の魔術によって船乗りを死に誘い込むために作られた偽の土地だと信じられていたことに由来します。ファタ・モルガーナという用語は、他のより一般的な蜃気楼に誤って適用されることがありますが、真のファタ・モルガーナは、通常の上位蜃気楼とは異なり、下位蜃気楼とも明らかに異なります。
蜃気楼であるファタ・モルガーナは、その基となる物体を著しく歪ませるため、物体は非常に異様に見え、場合によっては全く認識できないほど変形してしまうこともあります。ファタ・モルガーナは、陸上でも海上でも、極地でも砂漠でも見られます。この種の蜃気楼は、船、島、海岸線など、遠方のほぼあらゆる物体に関係する可能性があります。
ファタモルガーナは複雑なだけでなく、急速に変化します。この蜃気楼は、上下逆の像と正立像が重なり合ってできています。ファタモルガーナの蜃気楼は、圧縮された領域と引き伸ばされた領域が交互に現れることも特徴です。[ 39 ]
ノヴァヤゼムリャ効果は、大気の温度躍層間の太陽光の強い屈折によって引き起こされる極地の蜃気楼です。ノヴァヤゼムリャ効果は、太陽が実際よりも早く昇ったり遅く沈んだりしている（天文学的に言えば）という印象を与えます。[ 42 ]気象状況 によっては、この効果により太陽は平らな砂時計の形をした線または四角形（「長方形の太陽」と呼ばれることもあります）として現れます。この蜃気楼は、太陽光線が数百キロメートルにわたって逆転層を持つ必要があり、逆転層の温度勾配に依存します。太陽円盤が見えるように高度が5度上昇するには、太陽光が少なくとも400キロメートル（250マイル）地球の曲率に屈折する必要があります。
この現象を最初に記録したのは、ウィレム・バレンツの不運な第3次極地探検隊の一員であったゲリット・デ・フェールである。デ・フェールが最初にこの現象を観測した群島ノヴァヤゼムリャが、この現象の名前の由来となっている。[ 42 ]
薄明光線は、地球の大気を通過するほぼ平行な太陽光線ですが、遠近法によって発散しているように見えます。[ 43 ]これらは、山頂や雲などの物体が雲の ように太陽光線を部分的に遮るときによく発生します。さまざまな大気中の化合物が太陽光を散乱させ、回折、反射、散乱によってこれらの光線を可視化します。
薄明光線は、特に北極圏などの水域では、氷棚や氷の割れ目から現れるため、水中でも時折見られることがあります。また、太陽光が雲間から絶妙な角度で差し込む日にも見られます。
薄明光線には主に3つの形態がある。
これらは日の出と日没付近によく見られ、積乱雲や山などの背の高い雲がこれらの光線を作り出すのに最も効果的な時間帯である。
反薄明光線は実際には平行であるが、太陽とは反対方向の空に見えることがある。それらは遠くの地平線で再び収束するように見える。
大気による光の屈折は、天体や地上の物体の見かけ上の位置に影響を与え、通常、実際よりも高く見える原因となります。そのため、航海士、天文学者、測量士は、これらの影響が最小限になる時間帯に観測を行います。船乗りは、星が地平線から20度以上上にある時だけ星を撮影し、天文学者は天体が空で最も高い位置にある時に観測を計画し、測量士は光の屈折が最小限になる午後に観測を行います。
大気回折とは、空気中に浮遊する粒子によって太陽光が屈折する際に生じる視覚効果のことである。
大気光学現象には以下が含まれます。
