みんなが好きな、きれいなものがたくさんあるけど、虹は特に人気があるよね。
この記事では、なぜ虹はアーチ型なのか、どうして虹が空に現れるのか、そして、二重虹の秘密や、虹がなぜいろいろな色を持っているなど、説明していくよ。
虹がアーチ型に見える理由
虹がアーチ型、あるいは半円形に見えるのは、太陽光と地平線、観測者の位置関係によります。
実際には、虹は完全な円です。
しかし、地面がその円の下半分を遮るため、私たちにはアーチのように見えます。
もし観点が十分に高い場所、例えば飛行機から見る場合は、虹が完全な円として観測できることがあります。
虹がアーチに見えるのは、地平線が虹の下半分を隠しているから。本当は虹は完全な円なんだけど、地面が邪魔をして、半円に見えるのさ。
夕方や朝方に虹がよく見えるのは、太陽の光が斜めに入るからで、このとき虹はより高く大きく見える。
太陽が高い位置にあると、虹は低くなり、全体が見えなくなることもあるよ。
虹とは何者なのか？
虹は、太陽の光が雨の粒と出会ったときに起こる光のショーみたいなもの。
雨が上がって太陽が出たとき、水滴が太陽の光を受けると、光はいろんな色に分かれて、きれいな虹ができるんだ。
虹には、明るくはっきり見える主虹と、その外側に逆の色の並びで現れる副虹があるよ。
1.虹の基本原理
虹の形成は、太陽光が大気中の水滴に遭遇した際に生じる光の屈折、反射、そして再屈折によって起こります。
太陽からの白い光は、水滴に入るときに異なる角度で屈折し、水滴の内部で反射された後、脱出する際に再び屈折します。
このプロセス中に、光はその構成要素であるさまざまな色に分解され、これが虹の色となります。赤色が最も屈折率が低く、外側に現れ、紫色は最も屈折率が高く、内側に現れます。
2.虹の種類
一般に、虹は二種類あります。
最も一般的に見られるのは「主虹」で、その外側に薄く、色の順番が逆転した「副虹」が見られることがあります。
「主虹」は、太陽光が水滴内で一度反射することによって形成され、「副虹」は二度の反射によって形成されます。
この二度の反射により、「副虹」の色は「主虹」と逆の順序になり、また、「副虹」は「主虹」よりも薄く、広がりがあるために、観測するのがより難しくなります。
3.虹の色
虹が赤から紫までの色を示すのは、太陽光が構成する可視光線が、水滴によって異なる角度で屈折されるためです。
各色は異なる波長を持ち、その波長によって屈折の度合いが異なります。
この波長の差が、虹を形成する際に色が分離される理由です。
赤色が波長が長いために最も少なく屈折し、紫色は波長が短いために最も強く屈折します。
4.虹を観察する条件
虹を観察するには特定の条件が必要です。
- 太陽が低い位置にある
- 観測者が太陽を背にしている
- 雨が上がり、空気中に水滴が浮遊している
最も基本的なのは、太陽が低い位置にあること、そして観測者が太陽を背にしていることです。
また、雨が上がったばかりで、空気中に水滴が浮遊している必要があります。
このような条件下では、太陽光が適切な角度で水滴に入射し、美しい虹が形成されます。
二重虹の不思議
二重虹は、水滴の中で光が少し違う方法で曲がったり反射したりするから現れるんだ。
普通の虹は、光が水滴に当たって1回反射してできるけど、二重虹は、光が水滴で2回反射することで外側にもう一つ虹(副虹)ができるんだよ。
※二重虹の場合、濃く見える内側の虹が「主虹」です。
外側の虹(吹き虹)は、色の順番が逆になっていて、主虹より少し薄く見えるよ。
主虹の生成
「主虹」は、太陽光が雨粒に入射した後、一度屈折し、雨粒内部で一度反射し、そして雨粒から脱出する際に再度屈折する過程で生じます。
この過程で光はその構成要素であるさまざまな色に分けられ、赤が外側に、紫が内側に位置するように虹が形成されます。
主虹が最も鮮やかに見えるのは、太陽光が雨粒に当たり、反射して私たちの目に届く時です。
この時、太陽光と観測者（つまり私たち）との間の角度が非常に重要です。
具体的には、この角度が約40度から42度の範囲であると、主虹は最も明るく、色鮮やかに見えます。
ここでいう「角度」とは、観測者の目から見た、水滴への光の入射角のことを指します。
つまり、太陽が地平線から見て約40度から42度の高さにある時、その光が雨粒に反射し、私たちの目に届くと、虹が非常に明るく美しい色で現れるというわけです。
この現象は、太陽光が雨粒の中で特定の角度で屈折し、反射することで虹の色が分離し、鮮やかな色彩を形成するために起こります。
角度がこの範囲内であればあるほど、虹の色はより明瞭に、そして鮮明に見えるのです。
副虹の生成
「副虹」は「主虹」の外側に現れ、色の順番が逆になっています。
これは太陽の光が雨粒に入射した後、内部で2回反射され、それぞれの屈折を経て脱出する際に生じます。
「副虹」の形成において、この追加の反射により光の経路が変わり、色が逆転して見えるのです。
副虹が形成される角度は主虹よりも大きく、約50度から54度の範囲になります。
このため、副虹は主虹よりも広がりがあり、色がより薄く見える特徴を持ちます。
色の逆転現象
「副虹」における「色の逆転」は、二重虹を見た際に最も顕著な特徴です。
この「色の逆転」は、光が雨粒内で2回反射する過程で発生します。
2回目の反射により、光の散乱が変わり、色が逆の順序で屈折して出てくるため、副虹では紫が外側、赤が内側に見えます。
観測条件
二重虹を観測するためには、太陽光が適切な角度で雨粒に入射し、空が明るく、十分な量の雨粒が存在する状況が必要です。
通常、雨上がりの初期に太陽が低い位置にある時、特に遅い午後や早朝に二重虹がよく観測されます。
副虹を観測するためには、「太陽光と観測者との間の角度」がさらに重要で、この角度が「副虹の明瞭さ」を決定します。
虹の七色の秘密
虹が赤、オレンジ、黄色、緑、青、藍、紫の７色で見えるのは、太陽の光が雨の粒で反射して曲がるから。
太陽の光には、見える色だけでなく、見えない紫外線やX線も含まれているんだよ。だけど、虹で見えるのは見える色(可視光)だけ。
色は波長という、光の波の長さによって決まるから、紫は波長が短くて赤は長いんだ。光が雨の粒で曲がるとき、波長によって曲がる角度がちょっとずつ違うから、色に分かれるんだよ。
たとえば、雨が降った後に太陽が出ると、空気中の水滴が太陽の光を受けて、美しい虹ができるんだ。このとき、太陽が低い位置にあるほど、虹はきれいに見えるよ。
1.太陽光のスペクトラム
太陽から放射される光は、実際には一つの色ではありません。
この光には、人間の目に見える可視光線の範囲に加えて、紫外線や赤外線などの見えない光も含まれています。
可視光線の部分は、赤から紫までの色のスペクトラムに分けることができます。これらの色が組み合わさることで、私たちの目には太陽光が白く見えます。
2.光の屈折と分散
虹が形成されるとき、太陽光は雨粒に入射する際に屈折します。
屈折とは、光が異なる密度を持つ媒体（この場合は空気から水へ）を通過する際に、その進行方向が変わる現象です。
光が水滴の内部で反射し、再び外へ出る際にも屈折が起こります。
この過程で、光の波長によって屈折の角度が異なるため、光はその構成する色に分散します。
波長が短い紫色の光は最も強く屈折し、波長が長い赤色の光は比較的少なく屈折します。
3.色の配列
虹の中で、赤色が一番外側に、紫色が一番内側に見えるのは、屈折の度合いが色によって異なるためです。
赤色の光が最も屈折率が低く、虹の外側に広がります。
一方、紫色の光は最も屈折率が高く、内側に集まります。
この光の分散によって、虹の特徴的な色の順序が生まれるのです。
4.虹の形成に必要な条件
虹を見るためには、太陽光が適切な角度で水滴に入射し、目に見えるスペクトラムの色が適切に分散される必要があります。
また、観測者は太陽と反対側に位置し、太陽光が反射され屈折する水滴を通して虹を見ることになります。
この複雑なプロセスの結果、空には美しい虹が現れます。
太陽光が雨粒で反射・曲がるとき、光が分散して、虹の7色が現れます。
この過程で、空気中にある水滴が太陽光を受けて、色々な色に分かれることが大切です。
また、太陽の光が水滴に対して低い角度で入ると、より鮮やかな虹が見えやすくなります。
虹を見るための最適な条件
虹が見えやすい条件ってあるの？
実は、太陽と自分の位置が大事なポイントなんだ。太陽の角度が低く（50度以下）、空に水滴がたくさんあるときがベスト。
晴れていることも必要だよ。雨上がりに晴れ間が見えるときが、虹を見るチャンス！
虹は太陽の反対側にできるから、太陽が高いと地面からは見えにくいんだ。だから、夕方の雷雨の後などが虹を見るのにピッタリなんだよ。
1.太陽との角度
虹を観察するための最も重要な要素の一つは、太陽と観測者との間の角度です。
虹が形成されるためには、太陽が地平線から50度以下の角度にある必要があります。
この条件は、通常、早朝や遅い午後に最も適しています。太陽が高く昇る正午近くには、虹を見つけるのは難しくなります。
2.水滴の存在
虹を見るためには、大気中に十分な量の水滴が存在する必要があります。
これは通常、雨上がりの空で最もよく見られます。雨粒が太陽光を受けて反射し、屈折させることによって虹が形成されます。
しかし、霧の中や滝の近くなど、他の状況でも水滴が充分に存在する場合は虹が形成されることがあります。
3.晴れ間の重要性
虹を観察するためには、空が完全に晴れている必要はありませんが、太陽光が水滴に直接当たるための晴れ間が必要です。
太陽が雲に完全に隠れてしまっていると、虹は形成されません。
逆に、雨雲がまだ空に残っている状況で、太陽が顔を出したときに最も美しい虹が見られます。
4.観測地点の選択
虹を見るための地点も重要です。
虹は太陽の反対側に形成されるため、太陽を背にして虹を探す必要があります。
また、視界を遮る建物や木々が少ない開けた場所での方が、虹を全体的に見ることができます。
高い場所から見下ろすような位置では、虹の完全な円を見ることができる場合もあります。
5.最適な観察時期
虹を見る機会は年間を通じてありますが、特定の気象条件や季節によって見られる確率が高まります。
例えば、雷雨の後の夕方は、虹を見るのに最適な瞬間です。
また、一部の地域では、季節によって雨の降り方が変わるため、虹を見る機会も変化します。
日本では最近、激しい雨が多くなってるけど、そのおかげで虹を見る機会も増えているんだ。大雨の後に虹を見ると、なんだかうれしくなるよね。
