お天気豆知識

No.64

2006.5　Categories光学現象

虹の不思議

　虹というと、私は雨上がりの空を連想してしまいます。また、虹を見るとなんだかうれしくなってきます。皆さんもご存知のように、虹は太陽光線が水滴や雨粒で屈折・反射されてできたものです。虹が作られる基本的な説明は、デカルトにより1673年に「方法序説および論説集」でおこなわれました。しかし、デカルトは虹が雨の水滴に入るときに屈折し、水滴の中を進んだ光が水滴と空気の境で反射され、水滴から空気中に出るとき再び屈折してできることは説明しましたが、色が付くことは説明できませんでした。虹に色が付くことの説明は約30年後に万有引力の法則で有名なニュートンが行っています。ニュートンは太陽光線がいろいろな色（波長）の光が集まったもので、屈折率が波長によって違うことを示して、虹に色が付くことを説明しました。可視光線の水による屈折率は波長の短い光ほど大きいので、紫色の光は大きく曲げられ、赤い光は小さく曲げられます。このため、虹は紫色の光が内側で赤が外側となっています。

（写真1）主虹と副虹（横浜市青葉区にて）

（図1）虹の仕組み

　（写真1）のように虹が2本出ることがあります。左の虹と右の虹で色の並びが逆になっています。また、右の虹と左の虹では明るさが違っています。専門的には左の虹（下側）を「主虹」と言い、右の虹（上側）を「副虹」と言います。主虹と副虹は（図1）のように水滴に出入りする光の入射角がちがいます。このため、副虹は色の並びが主虹の反対となってしまいます。また、副虹は水滴内で2回反射するため主虹よりも暗くなってしまいます。普通よく見る虹は1本ですね。これは主虹が見えているので、内側が紫で外側が赤となっています。
　太陽光線はいろいろな角度から入ってくるのではなく、平行光線となっています。虹を見た人と太陽を結ぶ線（図1の中では虹を見ている女の子と太陽を結ぶ緑色の線）に対して、太陽と反対方向で約42度付近の位置に主虹ができます。副虹は約51度付近です。
　（写真1）で主虹と副虹の間の空が暗いことに気がついたでしょうか。これも主虹と副虹が現れたときの大きな特徴です。ちなみに、主虹の下側（写真では左側）が最も明るく、副虹の外側（写真1では右側）がやや暗くなり、主虹と副虹の間が最も暗くなります。

（写真2）過剰虹〈オレンジ色の矢印〉（岩手県釜石
市にて）

　主虹のすぐ内側に薄い別の虹、あるいは虹色の縞模様が見えることがあります（写真2）。
これは「干渉虹」、あるいは「過剰虹」と呼ばれています。過剰虹の間隔や幅は雨滴の大きさによって変わってきます。いろいろな大きさの雨滴があるときには、明瞭な色の帯が見られなくなりますが、雨粒の揃った穏やかな雨に対して過剰虹ができやすくなります。

（写真3）枝分かれした虹（大阪府枚方市にて）

（写真3）は主虹と副虹です。しかし、主虹が枝分かれしていました。主虹側の虹はどちらも光源と観察者を結ぶ線に対して、光源の反対側に約42度の位置にできます。つまり、1つは太陽光線が直接雨粒で屈折反射されてできた虹で、もう1つは太陽光線がどこかに反射して、その反射光が光源となってできた虹だろうと考えています。しかし何に反射したか分かりません。