电球や蛍光灯、たき火やランプの明かりといった人が作る光以外にも、自然界には様々な光があります。そんな光现象はどうやって起こるのでしょう。
ドアノブに触れるとパチッと静电気が放电することがあります。このことからもわかるように、大気中には电気が満ちています。このように、光と音が発生する大気中の电気现象を、「大気电気现象」といいます。カミナリやオーロラ、セントエルモの火などが、この现象の一种です。ひとだまなどの怪奇现象も、この大気电気现象が関係しているのではないかと考えられています。ほかにも、ホタルなどの生物が発する光もあります。自然の中の光にも不思议がいっぱいです。
暗闇で光を放つ物体に惊いたことはありませんか？まずは、その正体である可能性の高い「蛍光」や「燐光」について知りましょう。光や电子线をあてると光を放出する物质のことを、「蛍光体」「燐光体」といいます。蛍光灯や罢痴のブラウン管には蛍光体、腕时计の文字盘には燐光体が使われています。これらは、吸収した光を别の波长の光として放出する特性を持っています。光を即座に放出、10亿分の1秒から10万分の1秒という瞬时に消えるのが「蛍光」、1000分の1秒から10秒というゆっくり光るのが「燐光」です。蛍光、燐光をあわせて「ルミネッセンス」ともいいます。一般的にモノが光を出すのは、原子や分子の最も外侧の轨道を回る电子が、外部からエネルギーを得て、より高い轨道へ飞び上がり、それがもとのエネルギー「基底状态」に落ちるとき、ふたつの轨道のエネルギー差を光（この场合、“光”というより“电磁波”と一般的にいったほうが正确でしょう）として放出するのです。高いエネルギー?レベルへの飞び上がりは「励起」と呼ばれます。
ひとつのエネルギー?レベルの轨道には电子はふたつしか入れません。これを「パウリの禁制」といいます。一方、电子はスピン（自転）をしています。ふたつの电子は、それぞれ逆向きにスピンしている「一重项状态」、同じ向きにスピンしている「叁重项状态」にわけられます。一般には前者のかたちをとっています。さて、蛍光は、励起したふたつの电子が一重项状态、燐光では、励起した电子が叁重项状态になっています。燐光では、もとの一重项の基底状态に落ちるのに时间がかかるため、长く光を出すのです。
「蛍光」と似ているようですが、まったく违うのがホタルの光です。これは物质の化学反応によって起きている光です。物质が酸素と结びついて新しい分子ができるとき、その分子はエネルギーの高い励起状态となります。励起状态からエネルギーの低い通常の状态、基底状态に戻るとき、光が放出されるのです（热は発生しないので「冷たい光（冷光）」になります）。ホタルの场合は、体内にある「ルシフェリン」という物质が「ルシフェラーゼ」という酵素によって酸化される反応が起こっています。
ホタルがお腹を膨らませて呼吸するとき光るのは、このためです。その緑色に见える光のスペクトルは、电灯のように幅広い连続スペクトルではありませんが、ホタルを本に近づけると确かに文字を読み取ることができます。
ホタルの光はいま、思いもつかないところで大活跃しています。遗伝子组み换えです。新たに挿入したい遗伝子を组み込んだ顿狈础がちゃんと核の中に入っているかどうかを确かめるために、ルシフェラーゼを作り出す遗伝子もいっしょに入れるのです。ルシフェリンをかけてボーッと光が出たら、新しい遗伝子がちゃんと组み込まれている証拠になります。
かつて帆船で航海していた时代、船乗りたちは不思议な现象に出会っていました。暴风雨や激しい雷雨に遭遇した后、マストの先端に淡く燃える火が见えることがあるのです。荒天を乗り切った船乗りたちは、これを神による祝福のシグナルだと考え、航海の守り神セント?エルモに、ちなんで「セント?エルモの火」と呼びました。この火は、教会の尖塔や山顶、アンテナの先端などで见えることもあります。原因は、大気中の电位差であることがわかっています。
ある间隔をおいてプラス极とマイナス极を向かい合わせ、かける电圧を上げていくと、両极间に火花が飞びます（放电）。この様子をよく観察すると、火花が飞ぶ前に、电场の高い部分が淡く光を発するのが见えます（「コロナ放电」）。セント?エルモの火は、カミナリ云などによって大気中の电位差が急激に拡大して起こるコロナ放电なのです。コロナ放电は、电位差が1肠尘あたり100ボルト程度で起こり、1000ボルト程度でセント?エルモの火などの现象が起こり、1万ボルト以上になるとカミナリのような火花放电になります。また、特に、とがったものの先端では大気中に向けて先端放电流という电流が流れており、コロナ放电も起こりやすくなっています。
カミナリは、大気中の电位差による「放电」です。カミナリ云（积乱云）は强い上昇気流によって出来ます。上空へのぼっていく水蒸気は、水滴となり、さらに冻って氷晶となります。一方、カミナリ云の顶上付近から重くなって落下する氷晶は、ほかの氷晶や水滴とくっつきあってあられとなり、さらに落下します。そうすると、カミナリ云の中ではのぼっていく氷晶と、落下するあられがぶつかりあいます。
ところで、これらの氷晶とあられは、一部の水分子が贬+イオンと翱贬-イオンに电离しています。この场合、大きな翱贬-イオンに比べて小さい贬+イオンは動きやすく、しかも温度が高いほうが動きやすいという性質をもっています。 温度が低い氷晶と、それより温度が高いあられがこすれあうと、動きやすいあられから氷晶へH+が移ります。
その结果、上昇する氷晶はプラスに、落下するあられはマイナスに帯电することとなり、カミナリ云上部にはプラスの电荷、真ん中にはマイナスの电荷がたまります。さらに、気温が－10度より高い、地表に近いところでは、あられの表面に水滴がくっつき水の层ができています。あられ内部には贬+イオン、表面の水の中には动きにくい翱贬-イオンという状态です。ここであられが氷晶にぶつかると、氷晶はあられの表面の翱贬-イオン水の层をちぎり取って上昇し、残ったあられはプラスに帯电します。
このようにして、カミナリ云の中には上からプラス?マイナス?プラスという、発电所のようなものができてしまうのです。この発电所の电圧は数亿ボルト、一瞬に数万アンペアの规模の电流が流れます。电気はもともと大気中を通り抜けにくい性质がありますから、この电流が流れると非常に高温の热が起き、その热によって発生する光が、稲光となります。
オーロラは、南极や北极の磁极周辺で见られます。地上100～1000办尘上空にあらわれる色とりどりの発光カーテンです。これは、太阳から来る风「太阳风」の主成分である电荷を帯びた高エネルギーの粒子（电子や阳子）が、磁力线にそって南北両磁极に突入、上空の希薄な窒素原子や酸素原子と衝突することで起こります。高度100～200办尘では励起された酸素原子が出す波长558ナノメートルの緑色の光がよく见えます。
それより高空では、窒素原子の出す波长391ナノメートルの光などが加わってきます。その光は、大気中の水素、酸素、窒素の原子や分子ごとに违った色となっていて、カラフルです。オーロラが、南极や北极に见られるのは、地球は狈极を南极、厂极を北极にした巨大な磁石のようなもので、狈极や厂极に电荷を帯びた粒子が引きつけられるためです。
