なぜ虹はカラフルで丸く見えるのでしょうか？

この質問は、答えるのが実に難しい問題で、大人でも理解に困る人もいます。理解するためには、2つの物理現象を理解する必要があります。「屈折」と「反射」です。

虹の色は屈折で作られ、丸く見えるのは反射によるものです。

屈折と虹色

明るい晴れた日中に外に出て光を観察してみると、たった一つの色の光であるように思えます。しかし、白く見える太陽の光は、多くの種類の色を持った光が混ざり合ってできています。

光の色の違いはどのように生まれるのでしょうか？光は波の性質を持っています。光の波の違いは「波長」と呼ばれる波の長さの違いです。各色の光はそれぞれ異なった波長の光で出来ているのです。例えば、紫の光は、赤い光よりも短い波長を持っています。

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次に虹色に色が別れる理由を説明します。虹ができるのは、雨が降ったことで空中に雨粒のスクリーンができ、そこに日光が当たるからです。そのため、虹は太陽とは反対側に出来ます。光がある角度で水滴へと侵入すると、曲がって方向を変えます。この現象を「屈折」と言います。屈折を体験できるのは、例えば池をのぞき込んだ時です。水底に沈んだものは、さざなみによってゆがんで見えるでしょう。これは、光が水と空気の境目で曲がることでおこります。この時曲がる角度は、光の色によって変わるのです。

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波長が短いほど変化の度合いも大きくなります。緑の光よりも紫の光のほうがよく曲がり、黄色の光のほうが赤い光よりもよく曲がります。

屈折によって日光に含まれる様々な色の光が、その屈折率によって様々に曲がって分離されることで、すべての色がきれいに並んだ虹色ができるのです。

反射と虹の形

次はどうして虹が丸く見えるのかについて説明します。日光が水滴にあたった時、光ははね戻って「反射」します。

虹を見る時、実際に見えているのは、雨粒にあたって反射した光があなたの目に飛び込んできたものです。

ここで、ちょっとした数学が必要となります。雨粒の中に侵入した光が最も強く反射する角度というものがあります。それは42°の角度です。

日光が雨粒にあたって42°で跳ね返ってあなたの目に飛び込んでくるすべての光をつないでいくと、空に描かれた半円状になります。なので、屈折が虹に色を与え、反射が虹に半円状の形を与えるのです。

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地面に立って虹を見るときには、虹の根本は地面にぶつかるため、その先は見えません。もし、飛行機に乗っている時に雨が降り同時に晴れ間が見えたとすると、見下ろした地面に完全な円を描いた虹を見ることができるかもしれません。

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虹は雨と太陽の共演で作られます。その背景にあるのは、厳密な光の物理学です。光の性質が、丸い虹という奇跡のような現象を生み出していて、それは全くの必然なのです。

参考記事: The Conversation