虹と光の屈折

光は物質が変わると曲がる

水の入ったコップにストローを差すと、水面のところでストローが折れて見えます。光が空気から水に入るときに速さが遅くなり、進む向きが曲がるためです。これを屈折といいます。水中での光の速さは真空中の約4分の3で、水の屈折率は約1.33です。プールの底が実際より浅く見えるのも同じ理由で、真上から見下ろすと実際の深さの約4分の3ほどに見えます。見た目より深いことがあるということなので、初めて入る水では深さを目分量だけで判断しないのが安全です。

色ごとに曲がり方が違う

屈折の度合いは光の波長によって少しずつ違います。水やガラスの中では、波長の短い紫や青がより大きく曲がり、波長の長い赤はあまり曲がりません。そのため太陽の光がプリズムを通ると、色ごとに違う角度で出てきて、赤から紫まで帯のように広がります。このように屈折の違いで色が分かれることを分散といいます。空が青い理由である散乱は光が四方に散らばる現象で、虹をつくる屈折と分散は光が決まった方向へ曲がる現象だという点が違います。

水滴の中で起きること

雨粒は小さな球形のプリズムの役目をします。太陽の光は水滴に入るときに一度曲がり、水滴の奥の内側の面で反射したあと、空気中に出るときにもう一度曲がります。この道筋をたどった光は、入ってきた側、つまり太陽のある側へ戻るように出てきますが、特定の角度の近くに光が集まります。その角度は赤が約42度、紫が約40度です。そのため太陽の正反対の方向を中心に約40度から42度離れた円の上にある水滴が、それぞれ一つの色を私たちの目に送り、それが集まって虹になります。外側が赤、内側が紫になる理由です。

• 入るときに一度曲がる
• 奥の内側の面で反射する
• 出るときにもう一度曲がる
• 赤は約42度、紫は約40度に光が集まる

虹が見える条件

虹の中心はいつも、自分の頭の影が指す場所、つまり太陽の正反対の方向です。そのため虹を見るには太陽を背にして立ち、前方の空に雨粒が浮かんでいる必要があります。にわか雨が通り過ぎた直後に太陽が再び出てくるとよく見えるのはこのためです。また太陽が高いと、太陽の正反対の方向が地面の下深くに沈み、虹の円が地平線の下に隠れてしまいます。太陽の高さが約42度より低くないと地上から虹は見えないので、真夏の正午より朝や夕方に見えやすくなります。太陽を背にして霧吹きや庭のホースで水をまけば、自分でつくることもできます。

二重の虹とそのあいだの暗い帯

ときには一本目の虹の外側に、もっと淡い二本目の虹が見えます。これは光が水滴の中で二回反射してから出てきたもので、約51度の近くにできます。反射が一回増えることで光が裏返るため色の順番が逆になり、内側が赤、外側が紫になります。反射のたびに光の一部が抜けていくので、一本目より淡くなります。二本の虹のあいだの空は周りより目立って暗く見えますが、この角度の範囲では、どちらの反射でも光が私たちの目のほうへ来ないためです。一本目の虹の内側の空が外側より明るいのも同じ仕組みです。

虹は見る人ごとに違う

虹はどこか一か所に置かれた物ではなく、特定の角度からだけ見える光の並びです。隣に立つ人は少し違う水滴から届く光を見ているので、厳密には一人ひとりが自分だけの虹を見ています。虹に向かって歩いていくと、虹もそのぶん遠ざかるので、端にたどり着くことはできません。虹が半円に見えるのは地面が円の下半分を隠しているからで、飛行機の中や高い山のように下の視界が開けた場所では、丸い円全体が見えることもあります。

七色は約束ごと

虹を七色と呼ぶのは、自然が決めたことではなく人が決めた約束に近いものです。実際の虹は赤から紫まで色が切れ目なく続いていて、境界線はありません。七色という区切りは、17世紀にプリズムで太陽の光を分けたニュートンが、音階に合わせて七つにまとめた影響が大きいとされます。文化や言語によっては、虹を五色や六色と言うところもあります。いくつの色に見えるかは、個人の目やその日の水滴の大きさによっても変わります。

よくある誤解と注意

虹は美しいぶん、誤解されることも多いものです。次の点を知っておくと、虹を見つけやすくなります。虹を探して空を見回すうちに太陽を直接見てしまうことのないようにし、運転中は虹に長く気を取られないよう注意しましょう。

• 虹は一か所に立っている物:見る人によって位置が違う
• 虹は雨の降っている空ならどこにでも見える:太陽の正反対の方向にだけ見える
• 七色がはっきり分かれている:色は連続してつながっている