写真の物理学 ㊶ マジックアワーとブルーアワーの物理学

日没前後のわずかな時間、空は暖色から寒色へと劇的に変化し、風景全体が柔らかな光に包まれる。マジックアワー、ゴールデンアワー、ブルーアワーと呼ばれるこれらの時間帯は、いずれも大気光学上の明確な物理現象に対応している。本稿では太陽高度の変化に沿って空の色と光の質がどう決まるのかを、レイリー散乱やミー散乱からオゾン層のチャパイ帯吸収、緯度による持続時間の違いまで大気光学の枠組みで記述する。

薄明の定義と太陽高度

太陽が地平線の下に沈んでも、空はすぐには暗くならない。上空の大気がまだ太陽光を受けて散乱し、地上に間接光を届けているからである。この時間帯を薄明（twilight）と呼び、太陽の幾何学的高度（地平線からの角度）によって3段階に分類される。

市民薄明（Civil Twilight）

太陽高度が $0°$ から $-6°$ の区間。地上の物体の輪郭がまだ十分に識別でき、人工照明なしで屋外活動が可能な明るさが残る。写真撮影においてマジックアワーと呼ばれる時間帯は、おおむねこの市民薄明に対応する。

航海薄明（Nautical Twilight）

太陽高度が $-6°$ から $-12°$ の区間。水平線と主要な星が同時に見えるため、かつて船乗りが天測航法に利用した。地上はかなり暗くなるが、空にはまだ微かな明るさが残る。長時間露光による都市夜景や残照の撮影に適した時間帯である。

天文薄明（Astronomical Twilight）

太陽高度が $-12°$ から $-18°$ の区間。肉眼では空と完全な夜の区別がほぼつかなくなるが、精密な天体観測にはまだ影響が残る。太陽高度が $-18°$ を下回ると天文学的な「夜」が始まり、星空撮影に最適な暗さとなる。

日没前後の色温度変化

太陽が天頂付近にあるとき、光が通過する大気の厚さ（エアマス）は最小であり、色温度はおよそ $5\,500\,\mathrm{K}$ 前後になる。太陽高度が下がるにつれてエアマスは急増し、色温度は劇的に変化する。

エアマス $\mathrm{AM}$ は、天頂角 $\theta_z$ を用いて近似的に次のように表される。

$$ \mathrm{AM} = \frac{1}{\cos\theta_z + 0.50572\,(96.07995° - \theta_z)^{-1.6364}} $$

これは Kasten & Young（1989）による補正式で、地平線付近（$\theta_z \to 90°$）での大気の曲率を考慮している。太陽高度 $5°$ でエアマスは約10、$1°$ では約26に達する。

エアマスが増大すると、レイリー散乱の波長依存性 $\sigma \propto \lambda^{-4}$ が累積的に効いてくる。短波長の青い光ほど強く散乱されて直達光から失われ、観測者に届く太陽光のスペクトルは長波長側（赤・橙）に偏る。波長 $450\,\mathrm{nm}$（青）でのレイリー散乱光学的厚さは $\tau \approx 0.235$ であるのに対し、$650\,\mathrm{nm}$（赤）では $\tau \approx 0.054$ にすぎない。エアマス10の条件では、青の透過率は $e^{-0.235 \times 10} \approx 0.095$、赤の透過率は $e^{-0.054 \times 10} \approx 0.583$ となり、青は9割以上が除去される計算になる。

この結果、日没直前の直達光の色温度は約 $2\,000\,\mathrm{K}$ まで低下し、空全体が暖色に染まる。いわゆるゴールデンアワーの色彩はこの物理的過程の直接的な帰結である。

ゴールデンアワーの光の特性

ゴールデンアワー（太陽高度がおよそ $0°$ から $10°$ の時間帯）の光は、色温度の低さだけでなく、いくつかの特徴的な性質をもつ。

影の長さとコントラスト。 太陽高度 $h$ のとき、垂直な物体が地面に落とす影の長さは物体の高さの $1/\tan h$ 倍になる。$h = 5°$ なら影は物体の約11.4倍、$h = 2°$ なら約28.6倍に伸びる。長く伸びた影は被写体に立体感を与え、質感を強調する。

光の拡散と軟らかさ。 低角度で入射する太陽光は大気中の長い光路を通過するため、レイリー散乱とミー散乱の両方を多く受ける。直達光の強度が下がる一方、散乱光（空全体からの拡散光）の相対的な寄与が増し、コントラスト比が穏やかになる。これが「軟らかい光」と感じられる物理的な理由である。

偏光。 レイリー散乱による偏光は太陽から $90°$ の方向で最大になる。ゴールデンアワーでは太陽が地平線近くにあるため、天頂方向の空が強く偏光する。偏光フィルターの効果が最も顕著になる時間帯でもある。

ベルト・オブ・ヴィーナス

日没直後（あるいは日の出直前）、太陽と反対側の地平線付近を見ると、独特の層構造が現れる。地平線のすぐ上に暗い青灰色の帯（地球の影、Earth's shadow）があり、その上に淡いピンク色の弧（ベルト・オブ・ヴィーナス、Belt of Venus）が広がる。

地球の影は文字通り地球自身が太陽光を遮ることで生じる幾何学的な影であり、大気の下層が直達光を受けられなくなった領域に対応する。太陽が沈むにつれて、この暗い帯は地平線から徐々にせり上がっていく。

ベルト・オブ・ヴィーナスは、地球の影の上方、地平線からおよそ $10°$ から $20°$ の高度に出現する。沈みゆく太陽の赤みを帯びた光が、反対側の大気上層で後方散乱されることでピンク色に見える。この色は本質的に夕焼けの光の「反射」であり、空のこの領域がまだ直達光を受けていることを示している。

撮影においてベルト・オブ・ヴィーナスは、太陽と反対側に現れるため、夕日を背にした構図で地平線付近に繊細なグラデーションとして写し込むことができる。

ブルーアワーの物理

日没後、太陽高度がおよそ $-4°$ から $-8°$ に達する時間帯に、空は独特の深い青に染まる。これがブルーアワーである。この青さはレイリー散乱だけでは説明できない。レイリー散乱は昼間の青空を説明する機構だが、ブルーアワーの青はそれとは異なる波長特性をもち、より深く彩度の高い青として現れる。

地球の影と光路の分離

ブルーアワーの理解には、光がどこを通って観測者に届くかを考える必要がある。太陽が $-4°$ 以下に沈むと、地球の影が対流圏の大部分を覆う。地上の観測者から見て、対流圏を通過してくる散乱光は地球の影に遮られ、届かなくなる。一方、成層圏（高度約10 kmから50 km）はまだ太陽光を受けている。したがって、ブルーアワーに観測者が見ている空の光は、主に成層圏を通過してきた散乱光である。

オゾン層のチャパイ帯吸収

成層圏にはオゾン層が存在する。オゾン（$\mathrm{O_3}$）は紫外域の吸収（ハートレー帯、$200$–$300\,\mathrm{nm}$）で有名だが、可視光域にもチャパイ帯（Chappuis bands）と呼ばれる幅広い吸収帯をもつ。チャパイ帯は $400$–$650\,\mathrm{nm}$ にわたり、吸収のピークは $575\,\mathrm{nm}$ と $603\,\mathrm{nm}$ 付近にある。

ここで決定的に重要なのは、チャパイ帯が黄から橙の波長域を選択的に吸収するという点である。青い光（$450\,\mathrm{nm}$ 付近）はチャパイ帯の吸収をほとんど受けない。

ブルーアワーの光路をまとめると次のようになる。

1. 太陽光が地平線の下から大気に入射する
2. 対流圏の光路は地球の影に遮られ、成層圏を通過する光のみが散乱されて観測者に届く
3. 成層圏を通過する際、レイリー散乱によって短波長の光が優先的に散乱される（昼間と同じ機構）
4. 同時に、オゾン層のチャパイ帯吸収が $575$–$603\,\mathrm{nm}$ 付近の黄・橙の光を除去する
5. 結果として、散乱されて観測者に届く光は短波長側（青）に二重に偏り、昼間の青空よりもさらに深い青が生じる

ブルーアワーの空が「ただの暗くなった青空」ではなく、独特の深い青に見える理由はここにある。レイリー散乱とオゾンのチャパイ帯吸収という二つの波長選択的機構が重なることで、大気は特有のスペクトルをもつ青い光を生み出すのである。

薄明光線（天使の梯子）

薄明光線（crepuscular rays）は、雲の隙間や山の稜線から太陽光が帯状に差し込み、放射状に広がって見える現象である。「天使の梯子」「ヤコブの梯子」「光芒」とも呼ばれる。

幾何学的説明

実際には、太陽からの光線はほぼ平行に地球に到達している。太陽までの距離（約 $1.5 \times 10^{11}\,\mathrm{m}$）に比べて地球の大気の厚さ（約 $100\,\mathrm{km}$）は無視できるほど小さいからである。にもかかわらず光線が放射状に広がって見えるのは、遠近法（パースペクティブ） による視覚効果にすぎない。道路の両端が遠方で一点に収束して見えるのとまったく同じ幾何学である。太陽の方向が「消失点」に相当する。

光線が可視化される条件

薄明光線が目に見えるためには、光線の通過する大気中に散乱体が必要である。水蒸気、エアロゾル、微小な塵などが光を散乱し、光の通り道を側方から観測者に向けて可視化する。これはミー散乱（粒径が波長と同程度以上の粒子による散乱）の寄与が大きい。

光線が橙色や金色に見えるのは、低角度の太陽光が長い大気光路を通過する過程でレイリー散乱により短波長成分を失い、長波長側に偏ったスペクトルをもつためである。これは先述の色温度低下と同じ物理である。

反薄明光線

薄明光線とは対照的に、太陽の反対方向（反太陽点）に向かって光の帯が収束して見える現象が反薄明光線（anticrepuscular rays）である。

メカニズムは薄明光線と本質的に同じである。平行な光線の束が、パースペクティブ効果によって反太陽点（消失点の反対側のもう一つの消失点）に向かって収束するように見える。実際に光が収束しているわけではない。

反薄明光線は薄明光線よりも淡く、観察頻度も低い。これは、光線が大気を横断する長い距離を通過する間に散乱と吸収を受けて減衰するためである。しかし、大気が澄んでいる条件下では、空を横切って太陽側から反太陽側まで一続きの光の帯が見えることもある。

残照とアフターグロー

日没後、西の空に残る赤みが段階的に変化していく現象を残照と呼ぶ。残照にはいくつかの段階がある。

第一段階（日没直後）。 太陽が地平線をわずかに下回った時点では、地平線付近の空が鮮やかな橙から赤に染まる。直達光が水平方向に近い極めて長い光路を通過するため、レイリー散乱による短波長の除去が最大になり、残った長波長の光が低層大気で散乱されて観測者に届く。

第二段階（太陽高度 $-2°$ から $-4°$ 付近）。 地平線近くの赤みが上方に広がりつつ、その上の空はピンクから紫へと遷移する。赤みを帯びた低角度の光と、まだ青みを保つ上空の散乱光が混合する領域である。

第三段階（アフターグロー）。 太陽がさらに沈んだ後（太陽高度 $-4°$ から $-6°$ 付近）、ときおり西の空に再び赤みが強まることがある。これは成層圏のエアロゾル層（高度20 km付近）が太陽光を散乱するためで、火山噴火後にエアロゾル濃度が高い時期には特に顕著になる。1991年のピナトゥボ山噴火後には、世界各地で鮮烈なアフターグローが数か月にわたって観察された。

マジックアワーの持続時間

マジックアワー（ここでは市民薄明に相当する太陽高度 $0°$ から $-6°$ の時間帯）の持続時間は、一定ではない。緯度と季節によって大きく変動する。

緯度依存性

太陽の日周運動は天の赤道に平行な円弧を描く。赤道付近では、太陽は地平線に対してほぼ垂直に沈む。このため、太陽高度が $0°$ から $-6°$ まで変化する時間は短く、赤道上での市民薄明はおよそ24分にすぎない。

緯度が高くなるにつれて、太陽の軌道は地平線に対して浅い角度で交差するようになる。同じ $6°$ の高度変化に要する時間が長くなり、中緯度（日本の本州付近、北緯35°前後）では市民薄明は約30分から40分に延びる。

高緯度地域ではさらに劇的になる。夏至前後の北緯60°付近（ノルウェーやアラスカ南部）では、太陽が地平線の下 $6°$ より深く沈まないことがあり、市民薄明が一晩中続く白夜となる。

季節依存性

同じ緯度でも、季節によって薄明の長さは変わる。これは太陽の赤緯（天の赤道からの角距離）が季節変動するためである。中緯度では、春分・秋分の頃に薄明が最も短く、夏至・冬至の頃に最も長くなる傾向がある。

撮影への応用

ここまで述べた大気光学の知識は、撮影計画に直接活用できる。

ゴールデンアワー。 色温度約 $2\,000$–$3\,500\,\mathrm{K}$ の暖色光と長い影を活かすには、太陽高度 $0°$ から $10°$ の時間帯を狙う。ホワイトバランスを太陽光（$5\,500\,\mathrm{K}$）に固定すれば暖色が強調され、逆に低い色温度に合わせれば自然な階調が得られる。どちらを選ぶかは意図次第である。

ブルーアワー。 太陽高度 $-4°$ から $-8°$ の時間帯。都市の人工照明と空の青さが共存する独特の色彩を撮影できる。三脚と長時間露光が前提となるが、空の明るさと人工光のバランスが取れるわずかな時間帯を逃さないことが重要である。この時間帯は市民薄明の後半から航海薄明の前半にかけてであり、中緯度では日没からおよそ20分から40分後に相当する。

ベルト・オブ・ヴィーナスと地球の影。 太陽と反対方向の地平線を撮影する。市民薄明の初期（太陽高度 $0°$ から $-3°$ 付近）に最も明瞭に現れる。広角レンズで地平線を広く入れると、暗い帯とピンクの弧の層構造が捉えやすい。

薄明光線。 雲の多い日の日没前後が好条件となる。太陽方向に適度な雲があり、かつ雲の隙間から光が差し込む状況を待つ。コントラストと露出の制御が求められる場面である。

まとめ

マジックアワーとブルーアワーの色彩は、大気光学の基本法則から導かれる。ゴールデンアワーの暖色はレイリー散乱による短波長光の選択的除去で説明され、ブルーアワーの深い青にはオゾン層のチャパイ帯吸収が決定的に寄与する。薄明光線は平行光線のパースペクティブ効果であり、ベルト・オブ・ヴィーナスは地球の影と後方散乱の組み合わせで生じる。これらの現象の持続時間は緯度と季節に依存し、撮影地の天文学的条件から予測できる。

前稿で扱った太陽光と大気の相互作用は、太陽が地平線付近にあるとき最も劇的な形で現れる。空の色が刻一刻と変化するあの時間帯は、大気という巨大な光学系が太陽光に施すスペクトル変換の、最も雄弁な表現である。次稿では、大気中の水滴と氷晶が生み出す虹、ハロ、蜃気楼といった現象を、同じ幾何光学の枠組みで記述する。