ミー散乱

ひとことで

ちり、花粉、水滴、排気ガスのような、光の波長と同じくらいかそれより大きな粒子（エアロゾル）による散乱です。レイリー散乱と違って色による違いがほとんどなく白っぽいこと、そして光の進む向きに強く散乱する（前方散乱）ことが特徴です。太陽の周りの明るい光の輪、地平線の白いかすみ、霧の中の街灯の光のにじみは、ミー散乱によるものです。

ゲームでの使いどころ

• 空の太陽の周りの輝き：太陽を直接見たときの、周りの明るいにじみ（太陽のハロー）。
• かすみ・霞・大気汚染：遠景を白くかすませて、湿度の高い夏の日や、霧の朝、都市のスモッグを表現する。
• 霧の中の光源：車のヘッドライトや街灯が霧の中でぼんやり光の球になる。
• 天候の変化：晴れと曇り・霧の日で、エアロゾルの量を変えるだけで空の印象が大きく変わる。

しくみ

色による違いが小さい：散乱の強さは波長にほとんど依存しないので、すべての色が同じように散らばり、白っぽく見えます。雲が白いのも同じ理由です。

前方散乱：散乱の向きは光の進む向きに強く偏っています。この偏りはヘニエイ・グリーンシュタイン型の位相関数で近似し、大気では $g \approx 0.76$〜$0.8$ がよく使われます（Cornette-Shanks の改良版を使うことが多い）。

太陽の近くを見ると、散乱角が小さい（前方）ので、この位相関数の値が大きくなり、太陽の周りが明るく輝きます。

高さの分布：エアロゾルは地表近くに集中しています（1.2 km 程度で $1/e$）。そのため、地平線に近い、低い空気の層を長く通る視線ほど白くかすみます。

吸収もある：ミー散乱の粒子は光を散乱するだけでなく、少し吸収もします（消散係数を散乱係数の約 1.1 倍とするのが一般的）。

実装のポイント

• レイリーと一緒に計算する：ミー散乱は単独ではなく、レイリー散乱と同じ積分ループで密度を 2 種類追って計算します。
• 天候パラメーターにする：エアロゾルの量（散乱係数の倍率）を天候や地域で変えると、同じ仕組みで澄んだ高原の空から霞んだ都会の空まで作れます。
• ブルームとの違い：太陽の周りのにじみは、ブルーム（レンズや目の中での光のにじみ）でも表現できますが、ミー散乱は大気そのものの明るさなので、太陽が物に隠れていても空は明るく残ります。

つまずきやすい点

• 量が多すぎると白一色：エアロゾルを増やしすぎると、空全体が白く飛んで青空が消えます。
• g が大きすぎる：太陽の周りだけが極端に明るい小さな点になり、不自然になります。
• 地上の景色との整合：空だけかすませて、地上の遠景をかすませないと、景色が浮いて見えます。遠景には同じエアロゾルの量で空気遠近法をかけます（デモの木）。

デモで試すこと

1. 「微粒子の量」を 0 にすると、レイリー散乱だけの深い青空になり、太陽の周りはすっきりします。量を増やすと、太陽の周りに明るい光の輪が広がり、地平線が白くかすみます。
2. 「前方散乱の強さ g」を 0 にすると、光の輪が消え、空全体が均一に白っぽくなります。0.9 に近づけると、輪は太陽の近くに集中します。
3. 「レイリー散乱も含める」をオフにすると、ミー散乱だけの、色のない白っぽい空になります。
4. 奥の木ほど、かすみの色に溶け込んでいきます。