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2010年07月20日

◆空はなぜ青色や赤色になるのか?

空は青い。夕方の空は赤い。雲は白い。太陽は眩しい。

宇宙は真っ暗なはずなのになぜ空は青いのか?
同じ空なのになぜ夕焼けは赤いのか?

恐らく、どこかでこれらの問いに出会ったことがあるのではないでしょうか?
そこで、今回は、空の色に関して説明していきたいと思います。



人間が色を認識するとき、その色の光が目に入ってきています。
光を発するものから直接届く光や、その光が反射や散乱されて届く光を我々は見ることができるのです。
つまり、光を出すものがなければその光は見えませんし、色だって見えません。

このことから、空は青色に見えるので、空が光を出しているか何かしらの光源による光が空で反射や散乱されていると言えます。
どちらが正しいかはすぐわかりますよね?

空は光っていません。
つまり、空に色が付いて見えるのは、太陽の光が反射や散乱されて我々の目に届くからです。

実際には、散乱が大きな役割を果たしています。

ここで起こる散乱の種類はレイリー散乱であり、光の波長よりかなり小さい粒子(ここでは酸素分子や窒素分子)によって起こる散乱です。
レイリー散乱では、波長が小さい光ほどよく散乱されます。
つまり、紫に近い色はよく散乱され、赤に近い色はそれほど散乱されません。
この事実から空の色が説明できます。



次に示す図は太陽光が大気圏に入って散乱され、それによって空の色が変化する様子を示しています。

scattering_sky.png

太陽から来た白色光(さまざまな色の光は重なると白色になります。)は初めは波長の小さい青色の光がよく散乱され、通る大気の層が長くなれば波長の大きい赤色の光がよく散乱されるようになります。

まず、昼の空の見え方について考えてみましょう。
直接太陽を見ると、大気によって散乱された青色光を引いた成分、つまり黄色に輝いているように見えます。
空の方を見てみると、太陽の光のうち散乱された青色の光が目に入ってきます。
これが昼の空の見え方です。

次に、夕方の空の見え方について考えてみましょう。
直接太陽を見ると、大気によって散乱された青色と緑色を引いた成分、つまり赤色に弱く輝いているように見えます。
空の方を見てみると、太陽の光のうち残った赤色が散乱され、その光が目に入ってきます。
これが夕方の空の見え方です。

ちなみに、最も波長が小さい紫色の光は大気圏に入るとすぐに散乱されてしまうため見ることはできません。




さて、空の色についてはわかりました。
では、雲の色はどう説明されるのでしょうか?

実は雲の色は別の種類の散乱、つまり、ミー散乱によって説明されます。ミー散乱とは、光の波長と散乱させる粒子の大きさが同じくらいのときに起こる散乱で、光の波長によって散乱はほとんど変わりません。

太陽から雲に入ってきた光は、雲の中の水滴や細かい氷の粒によってどの色の光も同程度に散乱(ミー散乱)されます。すると、散乱光は白色に見えるのです。

では、黒い雲があるのはどう説明できるのでしょうか。
これには2つの理由が考えられます。
1つ目は、夕方などで雲に入る光が少なく、ミー散乱されるうちにさらに目に届く光が少なくなるから。
2つ目は、雨の日などで雲の層が厚く、下の方まで光が少ししか届かないからです。

とても単純な理由ですね。




たまには空の色を見て、太陽光がどのような過程で目に届いているのか考えてみたら面白いかもしれません。
毎日見ていると、天気の移り変わりや大気中のダストの量と空の色の関係がわかるようになるでしょう。
posted by scientist at 00:34| Comment(16) | 気象 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2010年07月17日

◆電磁波とは?

携帯電話の電磁波が問題、電波塔の電磁波が強い、など様々な使い方がされるこの「電磁波」。果たしてその正体は何なのでしょうか?

電磁波とは「電場」と「磁場」をもつ波です。

以前、「◆光の正体とは?」で少し紹介しましたが、電磁波を図示すると次の図のようになります。


light-wave.png



つまり、電磁波は互いに垂直な電場と磁場が交互に振動しながら直進していく波です。

波なので一定の振幅と波長を持っていることになります。これを図示すると次の図のようになります。


wave.png



ここで、電磁波に関する一つの公式を紹介しましょう。


light_energy.png

E: 光子1つのエネルギー
h: プランク定数(一定)
ν: 電磁波の振動数
λ: 電磁波の波長
c: 光(電磁波)の速さ(一定)



この式から、電磁波のエネルギーは波長が小さいほど、また、振動数が大きいほど大きいことがわかります。さらに、波長が小さいほど振動数が大きいこともわかります。

以上が電磁波の基本的な事項です。




次に、電磁波の種類について簡単に説明します。

以前、電磁波の中に光があると説明しましたが、電磁波にはまだまだたくさんの種類があります。これらは波長(振動数)によって区別されていますが、その境界はあいまいです。

それを図示したのが次の図です。




電波(波長: 1 mm 以上)
ラジオやテレビの電波や、波長が10 km 〜 10万 km以上もある潜水艦の通信に使われる電波のことです。電波は波長が長いため、エネルギーが小さく体への影響は考えにくいです。

光(波長: 1 mm 〜 2 nm)
このうち、可視光は400 nm 〜 700 nm程度であり、これより長波長側が赤外光、短波長側が紫外光になります。
人間の目で見ることができるのは可視光の狭い範囲だけです。
赤外光はリモコンや携帯電話のいわゆる赤外線通信に使われています。
紫外光はいわゆるUVで、分子軌道遷移のエネルギーが紫外光のエネルギーに一致するものが多いため、物質を変性することができます。例えば、太陽光に含まれる紫外光でDNAが障害を受け、がんになることがあります。

X線(波長: 1 pm 〜 10 nm)
レントゲンで使われる電磁波です。原子軌道の電子の遷移によるエネルギーに相当するエネルギーを持ちます。

ガンマ線(波長: 10 pm 以下)
原子核の変化によって生じる非常に波長が小さい、すなわち、非常にエネルギーの大きい電磁波です。




以上見てきたように、電磁波には波長に応じて多くの種類があることがわかりました。波長の小さな電磁波ほど振動数が大きく、エネルギーが大きい、つまり破壊力があることがわかりました。

電磁波はあらゆる場面で重要な役割を果たしていて、この世の中のことのほとんどが電磁波によって説明することができそうですね。

posted by scientist at 03:25| Comment(0) | | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2010年07月10日

◆カフェインで本当に眠気が覚めるか?

カフェインを含む飲み物、例えば、コーヒーやコーラを飲むと眠気が覚めると言われています。

これは本当でしょうか?

結論から言うと本当です。

カフェインは、体の中に存在するヌクレオシドのアデノシンの代わりにアデノシン受容体に結合し、アデノシンの作用の逆の作用を示します。
つまり、カフェインは神経伝達物質のドーパミンやグルタミン酸を活性化し、神経の伝達を活性化するのです。すると、眠気が覚めて、例えば頭がよく働くようになります。このとき、心臓に対しては心拍数を上げる働きもします。

以上から、カフェインの摂取で交感神経(大まかに言うと体の働きを活性化する)の働きが活発になるということができます。

眠いけど頑張らなければならないときにカフェインを摂取すれば脳を活性化できため、使い方によっては役に立つでしょう。



ところで、どのような飲み物にカフェインがよく含まれているのでしょうか?
それを次に示しました。


●コーヒー
豆から抽出したコーヒー(240 ml): 95 - 200 mg
インスタントコーヒー(240 ml): 27 - 173 mg
スターバックスエスプレッソ(30 ml): 58 - 75 mg
スターバックスバニララテ(480 ml): 150 mg

●お茶
紅茶(240ml): 40 -120 mg
スターバックスタゾチャイラテ(480 ml): 100 mg
リプトンアイスレモンティー(355 ml): 7 mg

●ソフトドリンク(355 ml)
コカコーラ: 35 mg
コカコーラゼロ: 35 mg
ペプシコーラ: 36 - 38 mg
マウンテンデュー: 54 mg

※mMayoClinic.comから引用。(http://www.mayoclinic.com/print/caffeine/AN01211/METHOD=print


この表から、豆から抽出したコーヒーが最もカフェインを多く含むことがわかります。
同じ量を飲んだ時、これはコーラの6倍ほどにもなります。



ここまで説明したように、カフェインを飲めば脳を活性化することができますが、気をつけなければならないことがあります。

それは、カフェインを摂取しすぎないことです。

なぜならば、カフェインは中毒性があるためです。
中毒の症状としては、半日から1日カフェインを摂取しなかったら頭痛、不安、疲労感、集中力の欠如、抑うつが現れることがあります。
また、副作用として不眠やめまいが生じることもあります。

ただし、1日当たり200 - 300 mg以下の摂取であれば、それほど大きな問題は起きません。


いざというときに適度に摂取すれば、カフェインの力で一時的に頭が冴えるようにすることも可能です。
試験前などに飲めば効果があるかもしれません。ただし、緊張しているときには摂取するとかえって心拍数が上がり逆効果となることもあるでしょう。
普段飲まないのに大事な場面で急にコーヒーを飲んだりするのはお勧めしません。



ちなみに、カフェインという名は、その名の通りコーヒーに含まれているため付けられました。カフェインのIUPAC名(化学物質の一般的な命名法による名前)は1,3,7-トリメチルキサンチンで、次のような構造を取ります。

caffein.png
posted by scientist at 02:08| Comment(0) | | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

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