空（大気圏）の科学的性質と観測

空（英: sky）とは、地上から見上げたときに頭上に広がる空間を指し、天空とも呼ばれます。この空間は地球を取り巻く大気圏であり、時間帯、天候、高度によってその色や明るさ、物理的性質が大きく変化します。

空の色と光の散乱

空の色は、太陽光が地球の大気圏を通過する際、気体分子や微粒子によって光が散乱されることで決まります。昼間の晴天時に空が青く見えるのは、太陽光のうち波長の短い青色の光が、酸素や窒素などの分子によって強く散乱されるレイリー散乱という現象によるものです。

一方で、朝焼けや夕焼けが赤く見えるのは、太陽が低い位置にあるため、光が大気中を通過する距離が長くなり、青い光が散乱されて減衰し、波長の長い赤色の光が地上に届きやすくなるためです。また、雲が白や灰色に見えるのは、雲を構成する水滴が光の波長と同程度の大きさであり、すべての波長の光を均等に散乱させるミー散乱が起こるためです。

高度による物理的変化

高度が上がるにつれて、大気の圧力（気圧）と温度（気温）は低下します。対流圏では、高度が100メートル上昇するごとに気温が約0.65℃低下します。国際線旅客機が飛行する高度約1万メートル付近では、気温はマイナス50℃前後の極低温となります。さらに高度が上がると空気分子の密度が低下し、散乱される光の量も減るため、空はより深い青色から濃紺、そして黒色へと変化していきます。

生物の活動と空

空は古くから生物の活動の場となってきました。昆虫はシルル紀やデボン紀に起源を持つとされ、脊椎動物では翼竜、鳥類、コウモリが飛行能力を獲得しました。現代では人類も航空機を用いて空を移動手段として利用しており、安全確保や領空主権の観点から、上空には航空路や空域が設定されています。

オーロラ現象

オーロラは、太陽から放出されるプラズマ（太陽風）が地球の磁場に捕捉され、極地域の大気に降り込むことで発生する発光現象です。酸素原子や窒素分子がエネルギーを受け取り、励起状態から元の状態に戻る際に光が放出されます。主に高緯度地域で観測されますが、太陽活動が活発な時期にはより低い緯度でも観測されることがあります。