空の光の現象

（写真1）光冠（2004年7月下旬、横浜市都筑区）

　空の光の現象というとまず思い出すのは虹ですね。「ハロー（暈）、太陽柱」では太陽の周りにできる光学現象を紹介しました。雲などが関係した光学現象はこの他にもあります。
　（写真1）は巻積雲のコーナーにも載せましたが、虹色の光の環が映っています。‘光冠（こうかん）’といいます。英名は‘コロナ（Ｃorona）’です。この写真のように巻積雲を通して太陽や月を見るときにそれを取り囲むように虹色の環が現れるだけではなく、高積雲や高層雲を通して太陽を見るときにも現れます。月に対しても現れます。ところで、光は波の性質を持っています。波が物に当たるとその向こう側に回りこむ‘回折（かいせつ）’という現象が起こります。この現象は小さな水滴の雲粒で光が回折されたときに発生します。その部分の雲粒の大きさはそろっていて、雲粒が小さいほど大きなリングができます。そのリング大きさは、太陽や月を中心とした視角で5度以内です。

（写真2）彩雲（2009年2月中旬）

　（写真2）には雲の所々に色が薄い虹色の光が見えます。‘彩雲（さいうん）’といいます。‘慶雲（きょううん）’、‘瑞雲’などとも呼ばれていて、古くから良いことが起こる前兆とも言われていました。英語ではイリデセンス（Iridescence）、ギリシャ神話の虹の女神イリス（Iris）からきています。西洋でもこの現象を美しいと思われていて、このような名前が付いたのでしょう。この現象は雲のヘリの雲粒の消えかかっている部分にできます。この現象も巻積雲や高積雲の水滴の雲粒による回折現象です。そこでは部分的に見ると雲粒の大きさがそろっていますが、縁の部分全体で見ると雲粒の大きさがそろっていません。このため、不規則な虹色のような模様ができます。
　光冠、彩雲とも太陽の近くにできるので、見るときは太陽の強い光で眼を傷めないように注意してください。‘雲粒は水滴’と書きましたが、数千メートルの高さにある雲なので、０℃以下の水滴の雲、つまり過冷却水滴による雲粒です。
　層積雲などが集まって大きな塊になった雲の隙間から光が差し込むと（写真3）のように光の筋が見えます。（写真3）では差し込んだ光が海面で反射されてキラキラ輝いていて、スポットライトに照らされた舞台みたいですね。このような現象を‘御光’といいます。雲の向こう側にに太陽があると、その雲の高さの違いにより、太陽からの光がさえぎられるところと、上空に届くところができて、上空に向かって光の筋ができます。（写真4）は積乱雲の向こう側に沈んだ太陽が作った‘御光’です。

（写真3）下向き御光
（2003年11月下旬、沼津の海岸）

（写真4）上向きの御光
（2004年7月上旬、横浜市都筑区）

　空の光の現象で忘れてはいけないのが夕焼けや朝焼けですね。どちらも太陽高度が低いので、空気中を通過する光の距離が長くなります。その結果、波長の短い青系統の光は届かず、波長の長い赤系統の光だけが届きます。そのため照らされたものすべてを赤系統の色に染めてしまいます。
　（写真5）は2005年2月末に横浜市都筑区で撮影した夕焼けです。よく見ると右下に小さく光った２つの雲がありますが、これは飛行機雲です。その雲の長さは短く、発生してもすぐ消えていることから、上空の空気は乾燥しています。この日は冬とはいえ、移動性高気圧に覆われて穏やかな晴天になりました。写真下のほうがオレンジ色で上の方が青系で、その間はグラデーションになっています。空気中にたまったチリなどが赤く染まったのでしょう。
　（写真6）は2008年9月下旬に横浜市都筑区で撮影した夕焼けです。この日は前線が日本海から南下し、翌日には太平洋側に抜けて季節が一気に変わりました。南下してくる前線に向かって流れ込んだ下層の南寄りの空気の流れの中に山岳で波動ができ、たくさんの層積雲によるレンズ状の雲ができました。それらが夕日に照らされてオレンジ色に染まり、なんともいえぬ不思議な光景になりました。

（写真5）丹沢山塊、富士山をシルエットにした夕焼け
（2005年2月下旬、横浜市都筑区）

（写真6）地形性雲の夕焼け
（2008年9月下旬、横浜市都筑区）

ハロー（暈）・太陽柱

　虹は太陽と反対方向にできます。これは太陽光が水滴の中で反射（屈折もあります）されてできるからです。ところが、太陽を取り囲むような（写真1）のような虹色の光の輪ができることがあります。これを「暈（かさ）」または、「ハロー」といいます。何故このようなことが起こるかというと、氷でできた六角柱の雲粒がプリズムのように光を屈折させるからです（図1）。

（図1）日暈のできる仕組み

（写真1）太陽を中心とした視角が22度の暈
（横浜市都筑区）

（写真2）太陽を中心とした視角
が22度の暈
（上）と46度の暈（下）横浜市都
筑区 （22度の暈のところにある六
角形のものはカメラのレンズによる
もの）

（写真3）単独で現れた46度の暈
（東京都千代田区）

　「暈」は太陽を中心とした角度（視角）で、（写真2）のように22度と46度の位置にできます。これらを作る雲は巻層雲です。「日暈、月暈は雨の前触れ」というような天気俚諺がありますが、この現象のことです。暈を作っている薄い雲が厚くなって暈が見えなくなり、太陽は輝きを失ってぼんやりします。やがて太陽がわからなくなるほど雲が厚くなり、その下に別の黒い雲が現れるとまもなく雨が降り始めます。
　私は、22度の暈をよく見ることがありますが、46度の暈はなかなかお眼にかかれませんでした。皆さんはいかがですか。ときには（写真3）のように46度の暈が単独で出ることもあるので、不思議な虹だなと思うこともあるでしょう。
　太陽の方向にできる光の現象はこれだけではありません。太陽を中心とした視角は22度の位置なのですが、太陽とほぼ同じ高さが特別に光ったり、暈のその部分が他よりはっきりした虹色になったりすることがあります。（写真4）で画面の右側にある明るい部分のことで「幻日」といいます。暈は六角柱の氷の雲粒で太陽光が屈折してできましたが、幻日の場合は六角形の平らな氷の雲粒の面に太陽光が反射してできます。

（写真4）22度の暈と幻日（画面右側）：横浜市青葉区

（写真5）環天頂弧
（上部にある上方にはねた虹色の弧）

　太陽を中心と視角で46度の位置で太陽の上の方向に、暈と逆向きの弧を描く虹色の光の帯ができます。これを「環天頂弧」といいます。（写真5）で画面上方にある虹色の光の弧がその現象です。この現象も六角形の平らな氷の雲粒が関係しています。しかし、太陽光が六角形の平らな氷の雲粒に反射しているのではなく、屈折することにより発生します。（写真4）と（写真5）は同じ日に撮影しました。カメラのレンズの関係で1枚の写真に入れることができませんでしたが、同時にあらわれた現象です。

（写真6）太陽柱（冬の日の出のとき）：大阪府枚方市

　太陽が地平線に近い位置にあるとき、太陽の上と下に光の柱（写真6）が出ることがあります。これを「太陽柱」といいます。緯度の高い寒い地域で発生しやすいのですが、（写真6）の太陽柱は大阪府の北部にある枚方市で撮影しました。この現象も六角形の平らな氷の雲粒によるもので、太陽光線がその雲粒で反射してできています。

（写真7）人工光でできた光柱（横浜市青葉区）

　光の柱は太陽の光だけでできるわけではありません。人工的な光、つまり照明によってもできます。もちろん見ることができるのは夜です。（写真7）が人工光によってできた光柱です。この日（2009年1月下旬横浜市青葉区）は雪が降っていて、スーパーマーケットの屋上にある広告塔にあてられた照明の光が雪の結晶に反射してできました。30年近く前に買った「Rinbows, Halos, and Glories」という本で人工的な光による光の柱があることは知っていましたが、初めて見ることができました。（写真4）も太陽が上下方向に伸びているように見えます。太陽柱気味になっていたのかもしれません。

　太陽の周りにできる光の現象はこの他にもあります。（図2）はデンマーク人の天文学者ヘルベリウス（Helvelius）が1661年2月20日にグダンスク市（現ポーランドか）で観測した現象のスケッチです。

（図2）七つの太陽と名づけられた光学現象のスケッチ（ヨハン・ヘルベリウス　1662年）

　図の下の方にある、目や鼻が書かれたのが太陽です。その周りの円が22度の暈でその外側の円が46度の暈です。さらに、天頂を取り囲む円形の環もあります。太陽柱の説明は緯度が高い地域で現れやすいと書きましたが、緯度が高い地域ではおもしろい現象があるのですね。ヨーロッパではこれらの現象を観測しているグループのホームページもあり、いろいろな写真を見ることができます。
　今回紹介した現象を見ると美しいし、不思議な感じがします。でもそのほとんどが太陽のまわりにできる現象なので、見るときは太陽を手で隠すなどして、眼を傷めないように充分に注意してください。「視角」の測り方は「巻積雲」にあるので見てください。

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。

楕円形の太陽と太陽の蜃気楼

　ガラスの容器に砂糖水を入れしばらく置くと、底の方の濃度が高くなります。それにレーザービームを当てると、光は底の方に向かって曲がります。これは砂糖液の濃度により、光の屈折率が違うためです。レーザービームですが、講演会で講演者がスクリーンに映し出された画像を指し示しながら説明するとき、手には小さな懐中電気みたいな物を持っていて画面にピンクの小さな光を当てていますがこれがそうです。これを使えばレーザービームを出すことができ、家庭でもこの実験はできます。ただし、この光を直接見たり人に当てたりしないでください。

（図1）

　光の屈折はどのような媒体（水や空気のこと）の中でも起こり、その屈折率は光が通過する媒体の密度によって異なります。当然、空気中を通過する光も空気密度の違いによる屈折の影響は受けます。 br地球規模のことを考えると、気圧は地上に近いほど高いので、空気密度も地上に近いほど大きくなります。空気による屈折の影響は星や月、太陽が地表近くに見えるときほど大きくなります。 ここでは太陽を例にしますが、（図1）に示したように、日の出日の入りの時に目にする太陽の位置は、光が空気中を通過する距離が長いため空気密度の違いによる屈折の影響を受け、実際よりも高い位置にあります。つまり、太陽の上端は実際よりも上に見え、下端も実際より上側に見えています。しかし、下端の方が上端よりも大気中を通過する距離が長いため屈折の影響を強く受けて、それぞれの実際の太陽の位置との差は、下端は上端よりも大きくなります。このため、太陽は（図1）に示したように扁平な太陽となります。

(写真1)と(写真2)は伊豆西海岸の松崎で2003年１月11日の日没時に伊豆西海岸にある松崎町で撮影しました。

（写真1）

（写真2）

（写真1）の太陽は少し扁平し楕円形となっていることがわかるでしょうか。まさにここで説明した現象です。

　今でこそ航海にはGPSが大活躍でしょうが、昔は星の位置を頼りに航海をしていました。もし航海している人が地平線近くの星の角度を測って、地球上でその船の位置を決める際には、地球大気の屈折で起こる誤差を補正するための数表を使って位置を決めていました。

　（写真2）で海面と太陽の間にもう一つ太陽があるように見えます。次はその説明です。光の屈折率は通過中の媒体の密度によると言いましたが、空気の密度は空気の温度によって変わります。シベリア高気圧のところで話しましたが、同じ体積の空気を比べると、冷たい空気の方が密度は高く当然屈折率も大きくなります。

（図2）逆転層がある時

空気が熱い地面や暖かい海水面に接すると、下の方は空気の温度が高くなり、（図2）に示したような高さ方向の温度分布となります。このような状況では地上にある物は逆さまに見えます。

（図3）下層の温度が極端に高い時

空気の温度は上空に行くほど低くなりますが、（図3）に示したように地上よりも上空の温度が高い層がある場合は、地上にある物は浮き上がって見えます。これらは、蜃気楼が見えるときの原理です。

　この日没の写真を撮影した日の駿河湾の海面温度は、気象庁の資料によると大体18℃から19℃でした。一方、駿河湾周辺のアメダス観測点の日没頃の気温は8℃から12℃でした。暖かい海面に接した空気は暖められ、駿河湾周辺での高さ方向の温度分布は（図2）に示したようになっていたと考えられます。このため、実際の太陽の下に太陽の蜃気楼が現れ、（写真2）のように、太陽の下に太陽があるような日没風景になったと思います。

　地表の物が浮き上がって見える現象は、私が釜石に住んでいるとき、港の岸壁から湾口の沖にある岩礁が浮き上がって見えることがありました。残念ながらその様子は写真に撮ってありません。この例は、日本気象学会のホームページの中で、学会誌の「天気」、2003年1月号の中に写真と学術的な解析が載っています。

雨を知らせる虹

　 雨上がりの空に、七色に分かれ弧を描いている虹は見ていてもきれいですし、虹を見ると何かいいことがあるのではないかと思ったりもします。古来西洋でも、虹は天国への架け橋と考えられていました。

（図1）虹ができるしくみ

太陽光線に色がないのは、いろいろな色の光（波長が違う）からできているからです。太陽光線がプリズムを通過すると、それぞれの波長による屈折率の違いから、光は虹色に分かれます。虹ができる場合は、雨粒がプリズムの役割と鏡の役割をしています。
（図1）を見て下さい。太陽光線が雨粒に入るときAで屈折し、反対側Bで反射し、雨粒からでるときCでまた屈折して虹ができています。だから、虹は太陽と反対方向に現れます。 西洋の古い天気俚諺（りげん）の中に、「朝の虹は船乗りが警戒し、夕方の虹は船乗りが喜ぶ(Rainbow in morning – sailor take warning, rainbow at night – sailor's delight)br
」というのがあります。虹は太陽と反対方向に見えますから、朝の虹はそれを見た位置に対して西側に現れています。北半球の中緯度帯（30度から60度）、日本列島のある緯度帯は偏西風帯のため、天気は西から崩れてきます。
つまり、雨雲も西から東へと移動することが多くなります。虹が西側にあるということは、虹を作っている雲が西から東に移動するということで、いづれはその雨雲がやってくることになります。その逆に夕方の虹は東側にできますから、その虹を作った雨雲は今居るところから離れていくことになります。
（写真1）の虹は1996年11月13日の朝、大阪府枚方市の北部に位置する楠葉で撮影しました。写真の左にある山の下（虹の付け根あたり）に名神高速の天王山トンネルがあります。その麓を淀川が流れています。虹は撮影地点から西の方に青空を背景に弧を描いて現れています。しかし、この日は午後から風が強くなり、雨が降ったり止んだりの時雨模様の天気となりました。

（写真1）大阪府枚方市楠葉にて撮影(1996年11月13日)

（図2）枚方(アメダス)の風と日照(1996年11月13日)

（図2）は枚方（アメダス）のデータです。雨は、雨量計で観測できるほどの量ではありませんでした。晴れていれば、日照は60分近くまでありますが、日中でもほとんど日照がありません。風も午後から強くなっているのがわかります。まさに、「朝の虹は船乗りが警戒し」の方になりますね。（写真1）の右の方を見ると、山の向こうにモコモコした雲がありますが、これはこれから天気が悪くなる前兆です。

（写真2）沖縄県読谷村にて撮影
(2002年6月8日)

（写真2）の虹は沖縄へ旅行に行った2002年6月8日午前7時前に読谷村にある、残波岬ロイヤルホテルで撮影したものです。
目の前の海は東シナ海ですから、この虹は西側に現れています。朝から虹が見えて嬉しくなりました。この日は、沖縄本島の北の端まで行き、夕方には同じホテルに戻りました。奥間ビーチでの昼食時に雨に降られ、ホテルに帰る途中の伊芸サービスエリアでは激しい雨に降られました。

（図3）金武(上)と胡屋(下)の雨量(2002年6月8日)

読谷村にもアメダスはありますが、ここで雨は観測されていませんでした。
（図3）は読谷村に近いアメダスによる「金武」と「胡屋」の一時間毎の雨のデータです。
どちらも日中に雨が降っています。沖縄は北緯30度より南ですが、6月上旬ではまだ偏西風帯に入っているので、「朝の虹は船乗りが警戒し」の天気になりました。