虹は太陽を背にした側に見え、主虹の半径は反太陽点から約42度です。水滴内の屈折と反射により、その角度へ光が集まりやすいためです。
虹が太陽の反対側に出る理由
雨がやんだ後、太陽を背にすると前の空に虹が見えることがあります。虹は雲に描かれた固定の帯ではなく、無数の水滴から観察者の目に届く光の方向がそろって見える現象です。
太陽を背にして雨粒のある空を見たとき、虹が現れることがあります。水滴に入った光は屈折し、内部で反射し、出るときにも屈折します。色によって曲がり方が少し異なるため、決まった方向から届く光が色の帯として見えます。虹は特定の雲に描かれた物体ではありません。
虹を探す際には、太陽が自分の背中側にあることが基本の手掛かりになります。ただし太陽を直接見つめたり、見晴らしを求めて危険な場所へ移動したりする必要はありません。安全な場所から、雨が降っている方向と太陽の位置を考えれば、虹が見えやすい空の範囲を推測できます。
水滴の中を進む光
太陽光が水滴へ入ると屈折し、水滴の内部で反射して、再び屈折して外へ出ます。波長によって曲がり方が少し違うため、赤から紫までの色が方向ごとに分かれて見えます。
雨粒一粒の中では、白い光の各色が曲がる角度が異なります。そのため観察者の目へ届く色は、太陽と反対の方向にある多数の雨粒から分担して届きます。『一つの雨粒の中に空一面の虹がある』という説明ではなく、多数の粒と観察者との位置関係が重要です。
主虹の赤い光は、太陽と反対側の方向からおおむね四十二度付近に見えます。虹の中心は太陽の反対側にあり、見かけの円の一部が地面に隠れて弧として見えることが多いのです。数値は典型的な幾何学的目安で、実際の見え方は光の条件に左右されます。
主虹と副虹の角度と見え方
主虹は太陽と反対向きの点を中心とする、およそ42度の方向に見えます。副虹は内部反射の回数が異なり、外側に現れ色の順序も逆になることがあります。虹の見える位置は観察者が移動すれば変わります。
太陽高度が高いと、地上から見える虹の弧が低くなります。もし太陽が高度50度なら、主虹の最上部は単純な幾何では地平線より下になりやすく、見えにくくなります。計算は地平線が水平で障害物がない場合の目安です。
太陽・水滴・観察位置をそろえる
安全な場所で太陽を背にし、雨粒が残る方向を探しましょう。写真を撮る場合は太陽を直接見つめず、太陽の方へレンズを向けて長く見続けないようにします。水をまく場合も滑りやすい地面や通行人への散水は避けます。
「虹の端まで走れば触れる」という発想は、虹を実体のある物とみなした誤解です。見る人と太陽、水滴の位置関係で光の見える方向が決まるため、同じ一本の虹を誰もが同じ位置に見るわけではありません。
虹の写真に二重の弧が写っていることがあります。外側の副虹は水滴内部での反射回数が主虹と異なり、色の順序も主虹と逆です。薄い副虹を見つけたとき、同じ色の帯が単に二本並んだわけではないと気づけます。主虹と副虹を比べると光の道筋の違いを考えられます。
虹を探すなら太陽を背にし、太陽と反対側に雨粒のある方向を見るのが基本です。太陽を直視する必要はありません。雨粒ごとに目へ届く光の方向が違うため、二人が見ている虹は同じ空の位置に見えても、必ずしも同一の水滴から届く光ではありません。
二重の虹の光の道筋
主虹では太陽光が水滴に入り屈折し、内部で一回反射した後に再び屈折して外へ出ます。副虹では主に内部反射が二回となり、色の並びが逆になります。水滴から観察者の目へ届く方向が異なるため、副虹は主虹より外側に見えます。太陽を背にして二つの弧が見えたら、色の順序と弧の間の暗い部分に注目しましょう。観察するときは太陽を直接見続けないでください。
虹が二人の観察者に見える場合でも、まったく同じ雨粒からの光を見ているとは限りません。虹は太陽・水滴・見る人の位置関係で決まる見かけの現象です。少し立ち位置を変えると視線が通る粒も変わるため、虹の『終わり』へ歩いて近づけるとは考えないようにします。
見る人ごとに違う虹
太陽が高すぎると、地上からは虹の円の多くが地平線の下になり、見えにくくなる場合があります。朝夕の斜めの日差しで虹に出会いやすいのは、太陽の高度が関係するからです。『雨が降れば必ず虹』という単純な条件では、虹を見逃す理由が説明できません。
色の境界がくっきり見えない虹もあります。雨粒の大きさや光の状態が異なり、色が重なって淡く見えることがあるからです。虹を目撃した写真を比べるときには、撮影の露出や加工が色を変えている可能性も考えます。写真の色と肉眼で見た色が同じとは限りません。
虹は光の屈折と反射を、空全体の大きな図として見ることができる現象です。太陽の位置を点で描き、反対方向に虹の中心を置いてみましょう。雲の場所を先に決めるより、観察者と光の角度から説明すると、なぜ虹が太陽の反対側に現れるか分かります。
地面から見える虹の高さは太陽の高度にも左右されます。太陽が低いと虹の弧が高く見え、太陽が高くなると弧の多くが地平線の下に隠れます。主虹の最上部が反太陽点から約42度にあるため、太陽高度が42度を超えると、平らな地面から見える主虹は地平線より下へ回る計算です。高い場所や飛行機からは円形に近い虹が見える場合もあります。
なぜ主虹は約42度に見える？
主虹は、水滴に入った太陽光が屈折し、水滴の内側で一度反射し、外へ出るときもう一度屈折して生じます。この経路では、入ってくる光の位置が違っても、出てくる光の角度が特定の範囲に集まりやすい性質があります。主虹で特に強く届く赤い光は、入射方向から約138度向きを変える付近に集中し、その反対向きの点から測ると約42度になります。これが虹の輪の半径の目安です。
虹の色の並びが生まれるのは、光の波長によって屈折の程度が少し違うためです。主虹では外側が赤、内側が紫になりやすく、副虹では水滴内の反射が二度になるので色の順序が逆になります。二重の虹が見えたときは、外側の淡い弧に注目すると主虹との差が分かります。
