虹ができるしくみと、色の順番の秘密

雨上がりの空などにかかる美しい光の帯、虹。特別なときにしか見られないその存在に、神秘的なものを感じる人も多いのではないでしょうか。

虹の色は何種類かと問われたとき、あなたはいくつと答えますか? そして、その順番を知っていますか?

この記事では、虹ができる理由と、色の順番の秘密をわかりやすく解説します。

虹は7色? 色の順番は?

虹の色は何種類かという冒頭の問いに、あなたは何色と答えましたか? おそらく多くの人が、7色と答えたはずです。ここ日本では、それが一般的ですね。しかし実は、虹を何色と捉えるかは、国や地域によって様々なんです。

たとえば、アメリカでは6色、ドイツでは5色。わずか2色と捉える地域もあり、日本でも沖縄地方では、かつては2色と考えられていました。といっても、空にかかる虹は世界中どこでも同じもの、同じ色でできているため、色の数の違いは単なる捉え方の違い。決して、違ったものを見ているわけでも、違う色に見えているわけでもありません。

7色とされる由来は、かの物理学者、アイザック・ニュートンが、虹の研究においてそう決めたからだと言われています。

色の順番は決まっていて、外側から、赤、橙、黄、緑、青、藍、紫です(『副虹』という、順番が真逆になったものもあります)。

太陽光の正体とは

虹を作り出すのは、太陽の光です。しかし、いつも目にする、地球に降り注ぐ太陽光は7色に分かれていませんし、色はついていないと感じますね。ところが、太陽光は無色あるいは白の単色というわけではなく、たくさんの色を持っているのです。

絵の具の色は、たくさん混ぜると黒くなりますが、光はたくさん混ぜると白くなることを、学んだり経験したりしたことがあるかと思います。太陽はたくさんの色が重なり合って、白く見えているのです。虹は、そのたくさんの色が空の上で分かれてできます。

太陽光を特殊な器具(プリズム)で分解してみると、虹のような色が現れます。これをスペクトルといいます。太陽光がたくさんの色を持っていることを、プリズムでも確かめることができます。

太陽光のスペクトルは連続していて、色と色の境目がはっきりしておらず、徐々に色が移り変わっていきます。このことも、先に述べた虹の色の種類が、地域によって違って捉えられる理由のひとつです。

虹ができるしくみ

太陽光はプリズムによって、虹のような色に分けられると述べました。空の上にプリズムがあるの?というと、実は、あるのです。プリズムの役割を持っているものが。それは、水の粒。空の上をただよう水の粒ひとつひとつがプリズムのようなはたらきをして、太陽光から虹を作り出しているのです。

太陽光が水の粒にぶつかると、一部はその表面で反射し、そして一部は粒の中に入っていきます。反射したものはそのまま空に戻っていきますが、粒の中に入っていったものは、特別な動きをします。

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光が他のものの中に入っていったとき、屈折という現象が起きます。入り込んだ部分をまっすぐに通過するのではなく、角度をつけて内側に曲がるのです。このとき、虹の7色でいうと、紫色が一番角度がきつく、赤色が一番ゆるい角度で曲がります。

水の粒に入るときと出るときとで2度屈折し、角度の違いから、色によって出てくる光の向きが少し変わります。紫色の光は約40度、赤色の光は約42度の角度を持って折り返してきます。

たとえば左上から水の粒に入った光は、粒の中を屈折して左下に向かって出てきますが、紫色ほど上向き、赤色ほど下向きになります。そしてその間の角度で、紫、藍、青、緑、黄、橙、赤の光が出てくることになり、こうして太陽光が7つの光に分けられたのです(先に述べたように、7色にくっきり分けられるわけではありません。便宜上、7色と表現します)。

7色の順番を考える

空をただよう水の粒によって、太陽光が7色に分けられることがわかりました。その色を実際に地上で見ることを考えてみましょう。

地面で見る人の視線の高さは決まっています。1つの水の粒から出る光は、紫の方がやや上向き、赤の方がやや下向きに進みますから、赤の色が届く位置にいるとき、紫の色は頭の上を通過していることになります。その光は目に映りません。

それでは、もう少し低い位置にある水の粒から届く光は、どう見えるでしょうか。7色の順番の通り、橙です。その下にある水の粒は黄、次は緑……と続き、一番低い位置にある水の粒から届く光が紫になります。

実際には無数の水の粒を通った光が届いていますが、わかりやすく7粒で考えてみると、高さを変えて順番に並んだ水の粒が、それぞれ別の色を地上にいる人の目に届けているのです。

一番高い位置にあるのは赤、そして一番低い位置にあるのは紫。お気づきでしょうか、これがまさに、虹の色の順番です。虹は、光が屈折するというはたらきと、様々な高さに水の粒が存在することによって、見ることができるのです。

虹の色の順番が決まっている理由

虹は、太陽光がスペクトルである(様々な色を持っている)ことと、空気中の水の粒によって作られます。そしてその色はスペクトルの順番になっており、屈折率の違いにより、外側から赤、橙、黄、緑、青、藍、紫となります。

雨上がりの空や、水まきをしているしぶきの中に虹を見つけたらぜひ、その色や順番をよく観察してみてください。神秘的な中に、確かな自然のはたらきを見出せば、いつもと違った見え方がするかもしれません。

※この記事ではわかりやすく説明するために、一部、語弊のある表現も含まれておりますことをご了承ください。身近な現象を理解し、物理学に親しむ機会となれば幸いです。

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