海の水はなぜ青いの？
― 空の青さとは、まったく別の理由です
よく晴れた日、海を見ると青く輝いています。「空の青が水面に映っているだけ」と思っていないでしょうか。実は、曇りの日でも海は青みがかって見えますし、水そのものにもわずかに青緑色がついていることが確かめられています。海の青さは、空の青さとはまったく違うしくみで生まれているのです。
大きな白い浴槽に、たっぷりの水を張ったとします。少量ならほとんど無色透明に見えますが、プールほどの深さ・量になると、水そのものがうっすらと青緑色を帯びて見えることがあります。
空を映しているわけでも、何かを溶かしたわけでもないのに、水がたくさん集まっただけで、色がついて見えてくるのです。
水の分子は、赤い光（波長の長い光）をわずかに吸収し、青い光（波長の短い光）はあまり吸収しないという性質を持っているとされています。
光が水の中を進むほど、赤い光から先に吸収されて消えていき、生き残った青い光が散乱して目に届くと考えられています。
この「水そのものによる吸収」と「深さによる色の変化」を、順番に見ていきます。
水そのものが、赤い光をわずかに吸収している
水の分子は、光を吸収する量が色（波長）によってわずかに違います。赤色や橙色のような波長の長い光を、青色のような波長の短い光より、少しだけ多く吸収するとされています。コップ一杯程度の量では、この違いはごくわずかで気づけません。しかし、プールや海のように水の量（光が通る距離）が大きくなると、この小さな差が積み重なって、はっきりした色の違いになって現れます。
深く進むほど、赤が消え、青だけが残る
太陽の光には、赤から紫まで、さまざまな色（波長）の光が混ざっています。この光が水の中へ差し込むと、波長の長い赤い光から先に吸収されて、数メートルほどの深さでほとんど消えてしまうとされています。橙色、黄色と、波長が短くなるにつれて、もう少し深くまで届きます。もっとも波長の短い青い光だけが、比較的深くまで届き、水の分子や、水中のごく小さな粒子に当たって散乱し、その一部が水面へ戻ってきます。私たちの目に届くのは、この「最後まで生き残った青い光」というわけです。
もし海の青さが空を映しているだけなら、曇りの日には海は灰色に見えるはずです。ところが実際には、曇りの日でも海はうっすらと青みを保っています。また、プールのように空の映り込みが少ない場所でも、水は青緑色を帯びます。これらは、海の青さが水そのものの性質によることを示す手がかりだとされています。
水という物質そのものが、赤い光を選んで飲みこんでいるからです。
場所によって色が違うのは、なぜか
外洋の澄んだ海が濃い青色をしているのに対し、沿岸の海はしばしば緑色や茶色がかって見えます。これは、水中に含まれる植物プランクトン（クロロフィルという緑色の色素を持つ）や、川から運ばれた砂・泥の粒が、水そのものとは別に光の吸収・散乱に影響を与えるためだとされています。プランクトンが多い海域では緑色寄りに、濁った沿岸では茶色寄りに見えるというわけです。
自分で確かめられること
- 大きな白い容器（バケツや浴槽）に、できるだけ深く水をためる
- 底に白い紙やタイルが見える状態で、真上から水を通して見る
- 浅い部分と深い部分で、色みに違いがないかを見比べる
- 可能であれば、プールや海の、浅瀬と深いところの色の違いも観察してみる
水が深くなるほど、光が通る距離が長くなり、赤い光が吸収される割合が増えていく様子を感じられます。
まとめ
海の水が青いのは、空の色を映しているからではなく、水という物質そのものが、赤い光をわずかに吸収し、青い光をあまり吸収しないという性質を持っているためだと考えられています。光が水の中を深く進むほど、赤い光から順に吸収されて消えていき、最後まで生き残った青い光が散乱して、私たちの目に届いているというわけです。同じ「青」でも、空の青とは、まったく異なるしくみで生まれています。
空の青は、光が「散らばった」結果。
海の青は、光が「選ばれて生き残った」結果なのです。
光の色が波長によって仲間分けされる現象は、雨上がりの虹の記事でも説明しています。空の青さのしくみそのものについては、こちらの記事をご覧ください。
もっと知りたい人へ ― 用語・数値・教科書とのつながり中学理科から研究中の話題まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「物理基礎」で習う範囲
- 高校＋高校の教科書の発展・コラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（海洋物理学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：海の色をめぐる言葉
- 吸収：光のエネルギーが物質に取りこまれ、その色の光が弱まること。
- 散乱：光が粒子や分子にぶつかって、いろいろな方向へ進み直すこと。
- 波長：光の色を決める、波のくり返しの長さ。赤は長く、青は短い。
高校式で確かめる：深さ10mで、赤と青はどれだけ違って残るか
水中では、光は深さが増すごとに、一定の割合で吸収されて弱くなっていくとされています。この「一定の割合で弱くなる」という関係を使って、赤い光と青い光の残り方を比べてみます。
残る光の強さ ＝ 最初の強さ ×（1深さ1mあたりの残存率）の深さ乗
| 赤い光の残存率 | 1mあたり60%（目安の値） |
| 青い光の残存率 | 1mあたり95%（目安の値） |
※ 実際の残存率は、海域や水の透明度によって大きく変わります。ここでは、赤と青の違いをイメージしやすくするための目安の数値を使っています。
| 赤い光（0.6の10乗） | 0.6 × 0.6 × …（10回）＝ およそ0.006（0.6%） |
| 青い光（0.95の10乗） | 0.95 × 0.95 × …（10回）＝ およそ0.60（60%） |
| 結果 | 深さ10mで、赤い光はほぼ消え、青い光はまだ6割ほど残る |
同じ深さ10mを進んだだけで、赤い光は最初の1%にも満たなくなるのに対し、青い光はまだ半分以上が残っています。この差が積み重なることで、深い水は青く見えるのだと考えられています。ダイバーが水中で赤い物（自分の血液など）を見ても、深いところでは黒っぽく見えてしまうのは、この赤い光の吸収が原因だとされています。
高校＋なぜ、水は赤い光を吸収しやすいのか
水の分子（H₂O）は、光を吸収すると、分子内の結合がわずかに伸び縮みする振動が起こります。この振動が起きやすいエネルギー（振動の倍音と呼ばれる成分）が、たまたま赤い光のエネルギーに近いため、赤い光のほうが青い光よりも吸収されやすいと考えられています。純粋な水そのものにわずかな色がついて見えるのは、この分子の性質によるものです。
大学海洋物理学が扱う、海の色の分類
海洋物理学の分野では、水そのものの吸収特性で色が決まる外洋の澄んだ海（1類水）と、プランクトンや堆積物の影響を強く受ける沿岸の海（2類水）を区別して研究しています。人工衛星から海の色を観測し、クロロフィル濃度や水質を推定する「海色リモートセンシング」という技術も、この考え方にもとづいています。
研究まだ、はっきりしていないこと
- 水の吸収スペクトル（どの波長をどれだけ吸収するか）の、非常に精密な値は、温度や圧力、溶けている成分によってわずかに変わるとされ、深海など極端な条件での精密測定はいまも続けられています。
- 人工衛星による海色観測から、プランクトンの種類まで細かく見分ける技術は、いまも精度向上が図られている研究分野です。
- 海洋の色の変化を長期間追跡することで、気候変動が海の生態系にどう影響しているかを調べる研究も進められています。
海の青さ1つにも、光の物理学と海洋科学が交わる、いまも研究が続く豊かなテーマが詰まっています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科・光の性質 | 吸収・散乱・波長の基本用語 |
| 高校 | 物理基礎・波（発展） | 深さと光の残存率の計算 |
| 高校＋ | 化学・分子の振動（発展） | 水分子の振動と赤色吸収の関係 |
| 大学 | 海洋物理学 | 1類水・2類水の分類、海色リモートセンシング |
| 研究 | 海洋科学（研究中） | 精密な吸収スペクトルの測定、プランクトン種の判別、気候変動との関係 |
- 海洋物理学関連の教科書における、水の光学的性質と海色に関する解説。
- 光学・分光学関連の資料における、水分子による赤色光吸収のしくみに関する解説。
- リモートセンシング関連の資料における、人工衛星による海色観測とクロロフィル推定に関する解説。
※ 光の残存率の数値は、しくみを理解するための目安の値です。実際の値は、海域や水の透明度によって大きく変わるとされています。
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための概算・目安です。実際の値は海域や条件によって大きく異なるとされています。