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要点： 火星の空は昼間はオレンジ色か赤みがかっていて、太陽が沈むと、そのまわりの空が青灰色になります。地球は逆で、空は青く、夕焼けは赤い。太陽は同じです。違うのは、その光が何に当たるかです。地球の空気の分子は光の波よりずっと小さく、青を最も強く散乱させて空じゅうにまき散らすので、夕方にはるかに多くの空気を通ると、赤や黄色が届きます。火星の空気には光の波より大きな細かい塵の粒が漂っていて、それが散乱させる青は太陽の方向の近くにとどまります。
火星では、正反対
NASA Space Place："During the daytime, the Martian sky takes on an orange or reddish color. But as the Sun sets, the sky around the Sun begins to take on a blue-gray tone."（昼間、火星の空はオレンジ色や赤みを帯びた色になる。しかし太陽が沈むにつれて、太陽のまわりの空は青灰色を帯びはじめる。）
いちばんよく知られた写真は、NASA の探査車キュリオシティ（Curiosity）が 2015 年 4 月 15 日にゲール・クレーターで撮影したものです（JPL 画像 PIA19400、"Sunset in Mars' Gale Crater"）。
地球ではその逆で、昼は青く、夕焼けは赤い。同じ太陽、同じ日光です。
地球：小さな分子が青をあらゆる方向に投げる
NOAA の国立気象局（National Weather Service）フラッグスタッフ事務所："While all colors are scattered by air molecules, violet and blue are scattered most."（すべての色が空気の分子に散乱されるが、最も散乱されるのは紫と青だ。）NASA Space Place はその理由を挙げています："Blue light is scattered more than the other colors because it travels as shorter, smaller waves."（青い光がほかの色より多く散乱されるのは、より短く小さな波として進むからだ。）
だから青は空じゅうに投げ散らされ、空は青く見えます。
どれくらい多いか：約 5 倍
レイリー卿（Lord Rayleigh）が 1871 年にこれを導きました（当時の名は J. W. Strutt で、論文は Philosophical Magazine 掲載の "On the light from the sky, its polarization and colour"）。カリフォルニア大学リバーサイド校の Physics FAQ はこう書いています："He showed that the amount of light scattered is inversely proportional to the fourth power of wavelength for sufficiently small particles."（十分に小さな粒子では、散乱される光の量が波長の 4 乗に反比例することを、彼は示した。）
青い光は約 470 nm（HyperPhysics）、最も波長の長い赤い光は約 700 nm（NASA Science）です。私たちの計算では (700 ÷ 470)⁴ ≈ 4.9 なので、青は赤の約 5 倍散乱されます。
では、なぜ空は紫ではないのでしょうか。NOAA："The sky looks blue, not violet, because our eyes are more sensitive to blue light (and the sun also emits more energy as blue light than as violet)."（空が紫ではなく青に見えるのは、私たちの目が青い光により敏感だからだ（それに、太陽は紫よりも青い光としてより多くのエネルギーを出している）。）
地球の夕焼け：約 38 倍の空気
日没時、光の通り道はずっと長くなります。NASA Space Place："As the Sun gets lower in the sky, its light is passing through more of the atmosphere to reach you. Even more of the blue light is scattered, allowing the reds and yellows to pass straight through to your eyes."（太陽が空の低いところに来るほど、その光はより多くの大気を通ってあなたに届く。青い光はさらに多く散乱され、赤や黄色はまっすぐ通り抜けて目に届く。）
どれくらい長いのでしょうか。Kasten と Young の 1989 年の式（Applied Optics）は、Wikipedia の "Air mass (astronomy)" の項に引かれているとおり、"an air mass of approximately 38 at the horizon"（地平線でのエアマスは約 38）を与えます。つまり、太陽が真上にあるときの約 38 倍の空気を、光が通り抜けるということです。
火星：光の波より大きな塵
火星の空気は塵だらけです。マーズ・パスファインダー（Mars Pathfinder）の画像から、Tomasko らは（JGR Planets、1999 年）こう求めました："The geometric cross‐section‐weighted mean particle radius is 1.6 ± 0.15 μm"（幾何学的断面積で重み付けした平均粒子半径は 1.6 ± 0.15 μm）。つまり粒の直径は約 3 µm で、青い光の 0.47 µm と比べると（私たちの計算）、光の波より大きいのです。
赤は広がり、青は太陽の近くにとどまる
キュリオシティのチームに加わっているテキサス A&M 大学の Mark Lemmon は、2015 年に NASA/JPL に向けてこの色を説明しました："The colors come from the fact that the very fine dust is the right size so that blue light penetrates the atmosphere slightly more efficiently,"（この色は、とても細かい塵がちょうどいい大きさで、青い光がわずかに効率よく大気を通り抜けることから生まれる、）
さらに："When the blue light scatters off the dust, it stays closer to the direction of the sun than light of other colors does. The rest of the sky is yellow to orange, as yellow and red light scatter all over the sky instead of being absorbed or staying close to the sun."（青い光は塵に散乱されても、ほかの色の光より太陽の方向の近くにとどまる。空のほかの部分が黄色からオレンジ色なのは、黄色と赤の光が吸収されたり太陽の近くにとどまったりせず、空じゅうに散乱されるからだ。）
だから、沈む太陽のまわりの光は青い
PIA19400 に付けられた JPL の説明："Dust in the Martian atmosphere has fine particles that permit blue light to penetrate the atmosphere more efficiently than longer-wavelength colors."（火星の大気中の塵には細かい粒子があり、それによって青い光は波長の長い色よりも効率よく大気を通り抜ける。）
火星の空全体ではありません。NASA の説明によれば、青灰色になるのは沈む太陽のまわりの空です。
まとめ
4 つの空。地球は昼が青く夕焼けが赤い。火星は昼がオレンジがかった赤で、沈む太陽のまわりが青い。色を決めているのは太陽ではなく、空気の中に何があるかです。
出典
- NASA Space Place, Why Is the Sky Blue?, updated 29 Aug 2022
- NOAA National Weather Service, Flagstaff, Why is the sky blue?
- Philip Gibbs, Why is the sky blue?, Physics FAQ, UC Riverside, 1997
- HyperPhysics (Georgia State University), Color
- NASA Science, Visible Light
- J. W. Strutt, On the light from the sky, its polarization and colour, Philosophical Magazine 41, Feb 1871
- Wikipedia, Air mass (astronomy), for Kasten & Young, Applied Optics 28(22), 1989
- NASA/JPL, NASA's Curiosity Rover Views Serene Sundown on Mars, 8 May 2015
- NASA/JPL, PIA19400: Sunset in Mars' Gale Crater, 8 May 2015
- Tomasko et al., Properties of dust in the Martian atmosphere from the Imager on Mars Pathfinder, JGR Planets, 1999
動画はコードでアニメーションを作り、台本は AI の手を借りて書きました。上の数字はすべて出典で確認しており、2 つの計算は私たちによるものです。空、光線、塵の粒、分子はすべて描いたもので、写真ではありません。散乱も見せるための表現で、シミュレーションではありません。動画は英語です。制作には Shotloop を使いました。コードで解説動画をつくり、1 ショットずつ直せる、私の無料 Mac アプリです。