虹はどうして、色のついた弓になるの？
白く見える太陽の光から、どうして虹の色が現れるのかな。雨粒の中の光の道と、見る人の位置をつないで考えよう。
まず、ひとことで
虹は、太陽の光が雨粒の中で屈折・反射し、色ごとに少し違う方向へ出てくることで見えるよ。見る人の目へ光が届く方向がそろうと、円の一部のような弓になるんだ。
雨のあとに、空へ橋がかかった？
雨上がりの空へ、赤や緑や紫の弓が現れると、そこに色の橋が置かれたように見えるね。でも虹は、雲に絵の具を塗ったものではないよ。空にある水の粒と太陽の光、そして見る人の位置がそろって起きる、光の見え方なんだ。
太陽の光は白っぽく見えるけれど、その中には、いろいろな波長の光がまざっているよ。波長は、光の波の山から次の山までの長さのこと。目に見える光では、赤い光の波長は長く、紫の光の波長は短いんだ。
では、まざっている色を分けるのは何だろう。空に漂う小さな水滴が、その役目をしているよ。この記事では、ふつう目立って見える虹を「主虹」と呼び、その光が一つの雨粒を通る道から、空全体の弓の形まで追ってみよう。
雨粒の中で、曲がって、はね返る
光が空気から水へ斜めに入ると、進む向きが変わるよ。水の中では、空気の中より光の進む速さが遅くなることに関わるんだ。このように、違う物質の境目で光の向きが変わることを「屈折」と呼ぶよ。空の青さを生む散乱とは、違う仕組みなんだ。
主虹を作る光の一部は、雨粒へ入るときに屈折し、奥の内側の表面で一回はね返るよ。はね返ることは「反射」だね。そして雨粒から空気へ出るとき、もう一度屈折するんだ。入る、はね返る、出るという順番で、光の道を指でたどってみよう。
雨粒へ入った光が全部この道を通るわけではないよ。別の方向へ通り抜ける光もあるんだ。図では、虹につながる代表的な道だけを選んで描いている。水滴の形も丸いものとして考えるけれど、すべての雨粒が完全な球という意味ではないよ。
主虹を作る代表的な光の道だけを描いた模式図。色ごとのわずかな道の違いや、別の方向へ抜ける光は省略し、水滴を球としているよ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図水は、色によって曲げ方を変える
太陽の光に含まれる色は、水の境目で全く同じように曲がるわけではないよ。目に見える範囲では、紫の光のほうが赤の光より大きく屈折するんだ。この色による曲がり方の違いで、まざっていた光が、少しずつ別の方向へ分かれていくよ。
白い光が色ごとに分かれることを「分散」と呼ぶよ。雨粒が新しく赤や紫を作り出したのではなく、もとの太陽光に含まれていた色が見分けられるようになるんだ。色を取り出すためのフィルターを七枚並べているわけでもないよ。
虹は七色とよく呼ばれるね。でも、本当の虹には七本だけの光があるのではなく、色が連続して変わっているんだ。赤と橙の間を指で区切れる壁はないよ。色の名前を付けて整理することと、光そのものが何種類だけあるかという問いは、分けて考えてみよう。
雨と太陽があれば、どこからでも見える？
雨粒から出た光が、見る人の目に届くことが必要だよ。ふつう太陽光で見える虹では、太陽を背にし、太陽と反対の方向にある雨粒を見る配置になるんだ。光がある場所と雨がある場所だけでなく、自分がどちらを向いているかも大切なんだね。
一つの雨粒も、いろいろな色を少し違う方向へ送っているよ。その全部が、同じ人の目へ同時に届くわけではないんだ。ある場所の粒からは赤い光が、別の場所の粒からは紫の光が、目へ届く。たくさんの粒から来た光を合わせて、広い虹として見ているんだね。
見る場所を変えると、目へ光を送る雨粒の組み合わせも変わるよ。虹は地面に固定した建物のようなものではないんだ。虹の端へ歩いて、そこに落ちている色を拾うことはできないよ。目、光、雨粒の関係で見える現象だと考えると、この不思議がつながるね。
弓は、本当は円の一部なんだ
主虹では、同じ色の明るい光が集まって届く方向は、太陽と反対の方向を中心に、ほぼ決まった角度をなすよ。赤い部分なら、その角度は約42度が目安なんだ。地面から何度上を見るかという意味ではなく、太陽と反対の方向からどれだけ離れた向きかを表しているよ。
目から見て、中心の方向から同じ角度だけ離れた方向を、ぐるりと集めてみよう。上だけでなく左や右にもあるので、円のような並びになるね。紫の光が集まる角度は赤より少し小さく、主虹では赤が外側、紫が内側に見えるよ。
地上からは、下のほうを地面などに遮られるため、円の一部分を弓として見ることが多いんだ。太陽の高さによって見える弓の大きさも変わるよ。高い場所から、下にも水滴があり、光と位置の条件がそろえば、円全体の虹が見えることもあるんだ。
太陽が地平線より上にあるときの、地上からの見え方を整理した図。下の点線は円の続きを表す目印で、地面を通して虹が見える意味ではないよ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図二重の虹は、どうして色が逆なの？
明るい主虹の外側に、もう一本、うすい虹が見えることがあるよ。これは「副虹」と呼ばれるんだ。主虹を作る光が雨粒の中で一回反射するのに対して、副虹を作る光は二回反射してから外へ出るよ。
反射が一回増えると、外へ出る光の方向と色の並び方が変わるんだ。そのため副虹は主虹より外側に現れ、色の順序も反対になるよ。主虹では外が赤、内が紫。副虹では内側が赤、外側が紫になるね。写真を比べるときは、明るさだけでなく、この順番にも注目しよう。
反射を増やしたら、同じ光がそのまま倍の明るさになるわけではないよ。雨粒の境目では、光の一部が別の道へ抜けていくため、副虹はふつう主虹より弱く見えるんだ。一つの粒の中の小さな道の違いが、空では別の大きな弓として現れるんだね。
紙の円で、見える部分を考えよう
紙に大きな円を描いて、外側から赤、橙、黄、緑、青、紫と色を重ねてみよう。色の間を少しずつ重ねて塗ると、くっきりした線で区切った絵と、なめらかに変わる絵の違いを比べられるよ。これは色の並びを考える活動で、本物の光を分散させる実験ではないんだ。
次に、別の紙を地面に見立て、円の下の部分を隠してみよう。全部の円がなくなったわけではないのに、残った部分は弓のように見えるね。隠す高さを変えると、見える弓の長さも変わるよ。図では何を省いているか、模型の約束を言葉で添えてみよう。
この紙の模型は、太陽の高さと虹の位置を正確に計算するものではないよ。また、絵の具を混ぜることと、色の光を混ぜることは同じではないんだ。光の実験のために太陽を直接見たり、レンズで集めたりせず、まずは写真や図で光の道を確かめてみよう。
どっとと考えよう：雨粒は赤と紫の二種類？
主虹の外側が赤で内側が紫なら、空には赤用の雨粒と紫用の雨粒が別々に並んでいるのかな。本文の一つの粒の説明を思い出してみよう。雨粒は、入った白い光を色ごとの方向へ分ける働きをするよ。粒そのものを赤く染める必要はないんだ。
大切なのは、粒から出たどの方向の光が、自分の目へ届くかだよ。同じ粒でも、見る位置が変われば、違う色の光を受け取ることがある。色を帯びた物が空に固定されているのか、光の届き方で色が見えるのか。この二つの考え方を、自分の言葉で比べてみてね。
虹の仕組みを人に説明するなら、まず雨粒一つの中の道を描き、次に雨粒と見る人の位置関係を足してみよう。小さな仕組みだけでも、空の大きな形だけでも説明は途中なんだ。光が進む道と目へ届く方向をつなぐと、色の弓の理由が見えてくるよ。
ことばのメモ
- 屈折（くっせつ）
- 光が異なる物質の境目を斜めに通るとき、進む向きが変わること。
- 反射
- 光が物の表面などで、はね返ること。
- 分散
- 波長によって屈折のしかたが違い、白い光などが色ごとの方向へ分かれること。
- 主虹・副虹
- 雨粒の中で一回反射した光による虹が主虹、二回反射した光による外側の虹が副虹。
もとになった資料・もっと知りたい人へ
下記の資料をもとに、説明と考える問題を独自に構成しています。外部資料には英語のページもあります。どっとの画像は案内用のイラストで、観測写真や科学的な図ではありません。
- NOAA・NASA/JPL：What Causes a Rainbow?
- 英国気象庁（Met Office）：Rainbows — optical wonders
- UCAR Center for Science Education：How Rainbows Are Made
分かりやすくするために、説明を短くしたり、たとえ話を使ったりしています。まちがいを見つけたらお問い合わせへお寄せください。制作方法は編集方針、いっしょに読むときのヒントは保護者・先生へで紹介しています。