虹：形成、色と弧の種類を解説

二次虹が見える虹 — 虹は空に円弧として現れ、典型的には太陽の反対側に位置します。色は波長に従って配列され、弧の外側が赤、内側が紫になります。観測者の目に届く光は、空中に分散した無数の水滴から発せられ、それぞれが虹の形成に寄与しています。 2013年に撮影されたこの個人的な写真では、はるかに淡い二次虹が確認でき、色が逆転しています。
画像ソース: Astronoo

科学的要約

Astronooの記事は、虹を、浮遊する水滴による白色光の分解から生じる光学および気象現象として紹介しています。基本的な物理プロセスを詳述しています：水滴に入る際に光を曲げる屈折、波長を異なる色に分離する分散、水滴内部で光を反射する全反射、そして出射時の第二の屈折で可視スペクトルを強化します。また、観測条件、異なるタイプの弧（一次、二次、単色）および波長による変動についても探求しています。

虹とは何か、そしてどのように形成されるのか？

この記事は、自然界で最も魅力的で研究された現象の一つである虹に捧げられています。しかし、この色とりどりの弧は空にどのように形成されるのでしょうか？その答えは、水滴内での光の屈折、分散、内部反射という三つの基本的な光学プロセスの組み合わせにあります。太陽の白色光が水滴に入ると、屈折、すなわち曲げられて異なる色（可視スペクトル）に分解されます。赤から紫までのこれらの色は、水滴の内壁で反射された後、出射する際に再び屈折され、私たちが観測する色とりどりの弧を形成します。入射光と弧の間の42度の角度は一定であり、これが虹が常に反太陽点から同じ角距離に現れる理由を説明しています。

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虹の色の光学的現象

虹は、空に弧の形で一連の色が見える光学および気象現象です。この現象は主に、太陽の白色光が大気中の水滴を通過する際に七色（赤、橙、黄、緑、青、藍、紫）に分解されるときに発生します。

白色光の性質とその波長

太陽から放射される白色光の性質は、実際には可視光の全波長の混合です。各色は特定の波長に対応します：

赤: 約620-750 nm
橙: 約590-620 nm
黄: 約570-590 nm
緑: 約495-570 nm
青: 約450-495 nm
藍: 約425-450 nm
紫: 約380-425 nm

ニュートンによる七色の起源

虹の七色は、17世紀にアイザック・ニュートン（1643-1727）によって広められました。プリズムを使った実験で、白色光が色のスペクトルに分解されることを観察しました。このスペクトルは連続的で色間の移行は滑らかですが、ニュートンは文化的・音楽的概念、例えば音階の七音に触発されて、これを七つの異なる部分に分割することを選びました。

虹の形成に関わる物理的プロセス

最初の屈折

屈折: 太陽光などの白色光が水滴に入ると、方向を変えます。これを屈折と呼びます。光は空気中よりも水中を遅く進むため、水滴内で速度と方向が変化します。

色の分散

分散: 白色光は複数の波長から構成され、それぞれが異なる色（赤、橙、黄、緑、青、藍、紫）に対応します。水滴に入ると、異なる波長は水中での伝播速度の違いにより異なる角度で屈折します。これにより色の分離が引き起こされ、分散と呼ばれるプロセスが生じます。

全反射

全反射: 光が屈折・分散された後、水滴の反対側の表面に達します。光の入射角が臨界角より大きい場合、光は水滴内部で完全に反射されます（全反射）。

第二の屈折とスペクトルの増強

第二の屈折: 反射された後、光は再び水滴の出口に向かい、そこで第二の屈折を受けます。これにより色のさらなる分離が生じ、分散効果が強化されます。

虹を観測するための条件

虹が現れるためには、大気中に浮遊する水滴が必要で、雨、霧、もやの形をとります。また、太陽が地平線に対して低い位置にあること（通常は早朝または夕方）が不可欠であり、観測者は太陽と水滴の間に位置し、太陽を背にする必要があります。

一次虹の場合、典型的な観測角度は太陽の反対方向から約42度です。言い換えれば、太陽から観測者へと伸びる想像上の線を引くと、虹はこの線の上方42度の角度で形成されます。

N.B. : 42度の角度は、水の屈折率と光の波長に応じて変動する平均値です。波長の長い赤色光は紫色光よりもわずかに大きく曲げられるため、赤が弧の外側に位置する理由が説明されます。

発光弧

単色の月虹 — **単色虹**は、「月虹」のように、しばしば色付きの虹よりも淡いです。
画像ソース: astronoo.com （新しいウィンドウ） — AI生成画像、パブリックドメイン。

発光弧の種類

一次虹は最もよく知られており、最も明るいです。赤、橙、黄、緑、青、藍、紫の七つの異なる色のスペクトルを示し、弧の外側が赤、内側が紫です。水滴内での光の単一の内部反射によって形成されます。
二次虹はより珍しく、淡く、一次弧の上に現れます。二つの内部反射によって生成され、色の順序が逆転します：紫が外側、赤が内側になります。その強度は一次虹の約半分です。
露の弧はあまり一般的ではなく、太陽光が草やクモの巣に付着した露滴で反射するときに地上レベルで形成されます。通常は非常に淡く、白っぽいです。月虹は月明かりが水滴を通過することで生成されます；非常に弱いため、肉眼ではしばしば白く見えますが、長時間露光写真ではその色が明らかになることがあります。
超数弧はより微妙な現象で、一次弧のすぐ内側に位置する追加のパステルカラーの層として現れます。光波間の干渉効果に起因し、非常に均一なサイズの水滴を必要とします。霧虹は非常に小さな水滴からなる濃い霧の中で形成されます；白色の弧または非常に淡い色の弧として現れ、しばしば広く拡散しています。
赤い弧または単色弧は、太陽が地平線に対して非常に低い（日の出または日の入り）ときに発生する珍しい現象です。光は厚い大気層を通過し、短波長（青、緑）を散乱させ、赤色だけを残します。弧は完全に赤く現れ、印象的な光景を提供します。
単色虹は単一の色だけで形成され、月の周りに見られる発光弧のような特定の条件下で現れることが多く、月虹と呼ばれます。

N.B. :
これらの異なる弧の可視性と強度は、水滴のサイズ、地平線に対する太陽の角度、大気の純度、観測者の感度など、複数の要因に依存します。二次、超数、単色の弧はより珍しく、特に好ましい光学条件を必要とします。

異なるタイプの発光弧の表

異なるタイプの虹の比較
虹のタイプ	内部反射	色の順序	明るさ	位置	特別な条件
一次弧	1反射	外側赤、内側紫	高い（鮮やか）	—	太陽を背に、前方に雨
二次弧	2反射	逆転：外側紫、内側赤	より淡い（2倍暗い）	一次弧の上	より大きな水滴
露の弧	1反射	一次弧と類似	非常に淡い、しばしば白	地面近く	草やクモの巣の露
月虹	1反射	一次と類似、色は弱まる	非常に弱い（しばしば白）	—	満月、暗い夜
超数弧	1反射	追加の層（パステル）	非常に淡い、時々虹色	一次弧の内側	均一サイズの水滴（干渉）
霧虹	1反射	白色またはほぼ白色	非常に弱い	—	非常に小さな霧の水滴
赤い弧（単色）	1反射	赤のみ	弱い	—	日の出または日の入り（すれすれの光）

N.B. :
虹の強度と可視性は、水滴のサイズ、太陽の角度、大気の純度に依存します。二次弧と超数弧はより珍しく、特定の光学条件を必要とします。

参考文献

FAQ: 虹に関するすべて

虹はなぜ曲がっているのですか？

虹は水滴による太陽光の反射と屈折によって形成されるため、曲がっています。円形は錯視です：各水滴は固定された角度（一次弧の場合は約42°）で光を反射します。観測者の目に向かって光を反射する水滴の集合は、目を頂点とする円錐を形成します。この円錐と雨のカーテンの交差が弧を与えます。太陽が地平線に対して低いと弧は大きく、高いと弧は小さくなります。

二次虹の色が逆転しているのはなぜですか？

二次虹は水滴内で一回ではなく二回の内部反射によって形成されます。この二重反射により色の順序が逆転します：赤は二次弧の内側、紫は外側に位置します。また、二次弧は各内部反射で光の強度の一部を失うため、明るさが劣ります。

夜間に虹を見ることができますか？

はい、それは月虹またはlunar rainbowと呼ばれます。月明かり（太陽光の反射にすぎない）が水滴を通過することで生成されます。しかし、月明かりははるかに弱いため、月虹は一般的に淡く、肉眼では単色または非常に弱まった色で現れます。長時間露光写真はその色を明らかにすることができます。

虹は完全な円になりますか？

虹は実際には完全な円ですが、地平線が下部を隠します。地上からは弧だけが見えます。しかし、飛行機や高い場所からは、周囲全体で光と水滴の条件が整っていれば、完全な円形の虹を観測できることがあります。

虹が七色と関連付けられるのはなぜですか？

この関連付けはアイザック・ニュートンに遡ります。彼は白色光の連続スペクトルを七つの異なる色（赤、橙、黄、緑、青、藍、紫）に人為的に分割しました。彼はこの数を七つの音楽音階と七曜日にちなんで選びました。これは彼の時代に一般的な慣習でした。実際には、スペクトルは連続的であり、無限の色合いを含んでいます。