湯気が白い煙に見える理由について

質問

水蒸気が冷やされて水滴となったのが湯気らしいけど、水滴なら液体に見えるはずなのに、何故か気体に見えます。
しかも、赤や青じゃなくて白い煙に見えます。
何故湯気は白い煙に見えるのでしょうか？

回答No.4

drmuraberg · ベストアンサー

光の散乱と反射はよく混同されますが、ご質問の湯気の場合に問題となるのは散乱です。
それで「散乱」に関するＷｉｋｉの説明を湯気に当てはめて「散乱（さんらん）とは、光などの波や粒子が
ターゲット（湯気）に侵入し通過する際にターゲット構成分子と相互作用して方向を変えられること。」と
書き換えれば判りやすいでしょう。
反射はあくまでもターゲット表面での現象で、鏡を考えていただければればお判りと思います。

ミー散乱はドイツの物理学者グスタフ・ミー（ノーベル物理学賞受賞）により発見された、光の透過する
粒子の大きさが光の波長程度の時光は侵入方向以外の色々な方向に散乱されるという現象です。
どの方向にどの程度の強度の光が散乱されるかを数式化したものがミーの散乱式です。
この式は複雑で、数値計算でしか解けません。近年のコンピュータの進歩で、雲が掛かった領域の
レーダー反射電波や映像の解析等に広く使われています。

さて、なぜ白いのかは私も考えて居なかった興味ある問いかけです。
無意識の内に、太陽光の全ての色が散乱される、または乱反射される＝白　という、
理解だったからです。
それを人間は白と感じるというのが理由だそうです。その辺は、Ｗｉｋｉの「白」を見てください。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BD

前の回答の１文
「白く見えるのは、光りが虹色全てに相当するスペクトルを持っていることも重要です。」
は光の三原色が合わさると白になることを漠然と考えて書き加えたものです。
人はそれを白と感じるとは気が付きませんでした。

お礼

「光が乱反射すると白に見える要因」というのは自分自身知りたい所だけど、本題の質問と変わってしまいそうなので後で改めて質問してみます。
回答ありがとうございました。

補足

＞「散乱（さんらん）とは、光などの波や粒子が
＞ターゲット（湯気）に侵入し通過する際にターゲット構成分子と相互作用して方向を変えられること。」と
＞書き換えれば判りやすいでしょう。
つまり、「光が分子に当たって、光の進行方向が変わる」ということでしょうか？
それだと光の屈折とあまり変わらないような・・・

回答No.3

drmuraberg

空中の水分子と、湯気と、水滴を区別して考える必要が有ります。

分子状の水は目で見えません。
湯気は白く見えます。
水滴は透明に見えます。

この差については、乱反射と言うこともできますが、
光りの粒子による散乱で説明されます。

以前似たような質問に回答したことが有ります。下記URLを
見てください。
http://okwave.jp/qa/q5294558.html

透明の物質を粉砕すると確かに白く見えますが、
これは粉砕面の不規則性や傷から来る乱反射として説明できます。

しかし、湯気は球状の綺麗な表面の粒子なのでこの説明は当てはまりません。
散乱の結果が乱反射の様に見えているという事です。

白く見えるのは、光りが虹色全てに相当するスペクトルを持っている
ことも重要です。

お礼

なるほど、湯気の場合はただの反射ではなく光の散乱によって白に見えるわけですね。
回答ありがとうございました。

補足

散乱についてはよく分かりませんが、「光があらゆる水滴に当たって、水滴に当たった光がいたる方向に反射して、その反射を繰り返して乱反射させている」と解釈してよろしいでしょうか？
また、リンク先の回答に書かれていたミー散乱とは何でしょうか？
ネットで調べた所「光の波長程度以上の大きさの球形の粒子による光の散乱現象である」と書かれてありましたが、全く理解出来ません。
どういう意味でしょうか？
また、光が散乱することが分かっても、何故それで白く見えるのかが分かりません。
どうして光が乱反射したり散乱したりすると白く見えるのでしょうか？

回答No.2

km1939

No.1さんが分かりやすく説明しているのでその通りです。
　付け加えますと、湯気が白くみえるのは可視光線（太陽光で白色光）が湯気により全反射し、
　波長が変わらないから白色に見えるのです。

お礼

なるほど、光が湯気に当たって全反射しているのが要因だったのですね。
回答ありがとうございました。

補足

どうして光が全反射すると白色に見えるのでしょうか？

回答No.1

windwald

まず、「気体に見える」理由について。
湯気は水蒸気が冷やされて水滴になったものです。
その水滴は細かく正真正銘の気体の空気中に分散しています。
bururutti-2さんが捉えている「湯気」というものは、
「湯気としての細かな水滴が空気中に分散しているその姿」です。

砂は固体ですが、風に煽られ空気中に舞い上がった(分散した)「砂ぼこり」が「気体」のように見えるのもおなじです。

そして「湯気」が白い理由は、2点あります。
1点目は、湯気つまり水に色がないことです。
というか、無色の物体は全て白く見えることがあります。
氷や水といった状態でも無色かつ透明ですし、大きな塩の結晶だってガラスだって無色かつ透明です。
(なお、無色と透明とは別の事柄です)
それらの表面はどうなっているでしょうか。実になめらかではありませんか？
さて、ガラスを割ったときのことを考えてみましょう。
細かなガラスの破片は白く見えますね。
これは、ガラスの表面がなめらかではなくなったため、光の反射が乱れていることによります。
これは細かな塩の粒やかき氷、そして湯気といったものが白く見えるのと全く同じ理由です。

2点目には、差し込む光が特定の光に偏っていないことが上げられます。
赤い光を当てれば、水滴自身に色はありませんから赤く見えます。
もちろんこれは当然のようにお感じになることかも知れませんが。

お礼

＞bururutti-2さんが捉えている「湯気」というものは、
＞「湯気としての細かな水滴が空気中に分散しているその姿」です。
なるほど、それで水滴が気体に見えたのですね。

＞そして「湯気」が白い理由は、2点あります。
＞1点目は、湯気つまり水に色がないことです。
＞というか、無色の物体は全て白く見えることがあります。
確かに、氷のような無色透明の物体を削ると白く見えますね。

＞2点目には、差し込む光が特定の光に偏っていないことが上げられます。
なるほど、湯気に当たる光も関係していたのですね。

回答ありがとうございました。

補足

＞細かなガラスの破片は白く見えますね。
＞これは、ガラスの表面がなめらかではなくなったため、光の反射が乱れていることによります。
＞これは細かな塩の粒やかき氷、そして湯気といったものが白く見えるのと全く同じ理由です。
どうして、光の反射が乱れると白く見えるのでしょうか？