光が大気中に浮遊する水滴の中を通過する際に屈折・反射することで様々な色が見られる大気工学現象

(にじ、: rainbow)とは、大気中に浮遊する水滴の中をが通過する際に、分散することで特徴的な模様が見られる大気光学現象である[1]

虹(画像の主虹の上部に薄く副虹が見える)
滝の水飛沫による虹(アイスランドグトルフォス
波の水飛沫による虹
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概要編集

虹は、円弧状の光の帯であり、帯の中には様々な色のの束が並んでいるように見える。色の配列は決まっており、端は必ず赤と紫である。

上がり、水しぶきをあげる、太陽を背にしてホースで水まきをした時などに見ることができる。なお、月の光でも虹は見られる[1]

名称編集

「虹」を意味する漢語表現に、虹霓(こうげい)、虹桟(こうざん)などがある。また、などのように、虹を意味する漢字虫偏のものが多く存在する。これに見るように中国語では、虹をの一種と見なす風習が多い。

英語のRainbow(レインボー)は「雨(rain)の(bow)」を意味する[2]。また、フランス語では arc-en-cielアルカンシエル)といい、「空(ciel)に掛かる(en)アーチ(arc)」を意味する。

日本語の方言には、鍋づる佐渡島愛知県など)、地獄のお釜のつる富山県射水市)、太鼓橋大分県)、立ちもん長崎県南高来郡)などと表現する例がある。

原理編集

虹の形状編集

虹が描く弧は、観察者を基点として、太陽とは正反対の方向、対日点が中心となる。対日点は、観察者から見れば地平線の下にあるので、虹は半円に見える。

 
環状の虹

飛行機周辺の空気が水蒸気を多く含んでいる場合には、窓から眼下に360°円環状の虹が見られることがある。雲海を超える高い山でも、眼下に虹が見えることがある。この飛行機や雲海の虹はブロッケン現象によるもので、通常の虹やホースの水による虹とは原理が異なる。

主虹と副虹編集

 
虹の仕組み(下が主虹・上が副虹)

主虹(しゅこう、しゅにじ)、または1次の虹と呼ばれる、はっきりとした虹の外側に、副虹(ふくこう、ふくにじ)、または2次の虹と呼ばれるうっすらとした虹が見られることがある。主虹は、が一番外側でが内側という構造をとるが、副虹は逆に、赤が内側、紫が外側となる。

主虹は、「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が40° - 42°となる位置に見られる。このため、虹は太陽の反対側に見られ、太陽が高い位置にあるときは小さな虹が、夕方など太陽が低い位置にあるときは大きな虹が見られる。また、副虹は、「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が51゜ - 53°となる位置に見られる。 

光学的説明編集

雨滴内の光の進行
   
主虹 副虹

虹の正体は、雨滴の内部で反射した光である。右図のように、主虹では1回、副虹では2回、光は反射し、雨滴に入るときと出るときで各1回屈折する。屈折する際に光は分散するため、雨滴から出る際の進行方向は、色によって異なる。こうして、1つの雨粒からは1つの色のみが観察者の目に届く。たくさんの雨粒から「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度によって異なる色の光が見えた時、虹となって見える。

この角度は、空気と水との屈折率の比により主虹、副虹ともに決まっているため、太陽の高度によって見えやすさや虹の大きさが決まる。40 - 50°よりも低いと、観察者から遠い上空の雨粒を通って虹が見えるため、大きな虹ができる。40 - 50°よりも高いと、観察者に近い地上付近の雨粒を通って虹が見えるため、虹は小さく見えにくい。

 
雨粒内の光の進行(主虹)。入射光 (Incident rays) が水滴内に入る高さを徐々に上げていくと、出射光 (Outgoing rays) の出る角度が変化し、ある高さで変化が逆になる。
 
雨粒内の光の進行(副虹)。入射光の高さを徐々に下げていくと、同様の変化が起こる。

厳密には、虹はプリズムの分光と同じではなく、より複雑な現象である。水滴外の入射光を延長したラインと水滴の中心の距離(粒子衝突における衝突径数に相当。以下" "を用いる)が異なると、光と水滴表面のなす角度が変わるため、出射光の角度も様々なものとなる。それにもかかわらず、ある波長の光が特定の角度で強くなるのは、この散乱角θがbの関数で表したときに極値を持ち、その角度では、単位角度あたりの入射光のbの範囲(つまり逆関数b(θ)の微分)が発散するからである。これを虹散乱(rainbow scattering)といい、光学だけでなく原子物理核物理での類似の現象も指している。

平たく言えば、水滴を固定して太陽光(入射光)を水平に入れ、入射光の高さを水滴の中心方向(水平)から徐々に上げていくと、太陽光が水滴から出る方向も次第に下向きになる。しかし、入射光がある高さ付近になると、太陽光が水滴から出る方向の変化が小さくなり、今度は逆に上がり始める。この高さ付近から入る太陽光はみなほぼ同じ方向に出て行くことになり、この部分だけ強い光が出て行くことになる。このような仕組みで、「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が特定の角度になったときに虹が見え、色が分かれる。

理論的には、赤色B線(686.719 nm)の場合には、水滴内で太陽光が、5回、6回、9回、10回、11回...(2回以外を表示)と多数反射する場合も、その散乱光が観測者の目に届くため虹として見ることも可能だが、反射回数が増えるほどその回数分だけ強度反射率(S偏光ではRs、P偏光ではRp)を掛けることになるので、水滴から出てきた散乱光は相当光が弱くなる。理論的に強度を計算すると、2回反射して出てくる赤色B線の散乱光の場合は主虹の赤色の強度の約42.6%程度だからある意味よく見えるが、5回反射の場合は約10.3%、6回反射では約7.5%程度だから肉眼ではほとんど観測されない。また水滴内で太陽光が3回、4回、7回、8回...と反射して出てくる散乱光を観測する場合は、主虹を見る方向とは逆に、太陽光が来る方向へ目を向けなければならない。なぜなら、このときの虹を作る水滴は太陽と観測者の間にあるからだ。まず3回反射して水滴から出てくる赤色B線の散乱光の虹角は、太陽を中心にして約42.2°、菫色H線(396.847 nm)の散乱光の虹角は約37.5°なので太陽の周りに主虹と同じ順に色が並ぶ。また強度の方は主虹のそれぞれ23.5%、23.5%程度なので、条件がそろえば第三次虹として観測が可能である。日本国内では沖縄で数回の撮影例がある[3]。また4回反射して水滴から出てくる赤色B線と菫色H線の虹角は、それぞれ約43.1°と約49.2°なので太陽を中心にして主虹とは逆順に色が並ぶ。強度の方は主虹のそれぞれ約14.9%、14.9%程度なので第四次の虹として観測するのは、太陽光に邪魔されて相当困難だろう。

白虹・赤虹編集

雨粒を構成する水滴が大きければ、虹の幅が狭くなり、色は濃くなる。ただし、大きすぎると水滴が空気抵抗の影響で変形して球形にならないため、虹が見えなくなる。反対に水滴が小さければ、虹の幅が広くなり、色が薄くなって全体的に明るくなる。そして水滴が小さすぎると、ミー散乱によって色が分かれなくなり、白く明るい半円が見えるようになる。これを白虹(しろにじ、はっこう)といい、や雲を構成する水滴でよく見られるので霧虹や雲虹とも言う。また、このとき朝焼けや夕焼けなどの時間帯で太陽光線が赤みを帯びていると、白虹が赤く見えることがあり、これを赤虹と呼ぶ。

白い虹に関する記述は、古くは『続日本紀』からあり、宝亀6年(775年)5月14日条において、発見が報告されている。

暗帯編集

主虹と副虹の間に見える空や風景は、虹に比べて相対的に暗くなる。特に後ろの雲が真っ黒でよどんだ空だと、暗い部分がはっきりと帯状に見える。これをアレキサンダーの暗帯(アレキサンダーのあんたい、アレキサンダーズ・ダークバンド; Alexander's dark band[4])あるいはアレキサンダーの帯という。これは、先に述べた原理から、主虹の内側と副虹の外側からは観察者に向かって若干の反射光が入ってくるものの、その間の部分からは反射光が全く入ってこない状態になるためで、この部分だけ本来の空の色が見えていることになる。なお、この名称は紀元200年にこれを記述したアフロディシアスのアレクサンドロスの名にちなむ。

反射虹編集

水面などに反射した光が太陽光と同じように水滴内を通って反射すると、同じように虹ができることがある。これを反射虹という。反射虹にも主虹と副虹がある。反射虹が描く円弧の中心は、普通の虹とは異なるため、普通の虹と反射虹は同心円状にはならず、ずれて見える。普通の虹と反射虹が重なってきれいなV字型を描くこともある。

過剰虹編集

 
過剰虹(干渉虹)

このほか、主虹の下側や副虹の上側に、さらに色のついた部分が淡く見えることがある。これを過剰虹(かじょうにじ)あるいは干渉虹(かんしょうにじ)という。これは、水滴がある大きさになったときに、太陽光が干渉して弱め合ったり強め合ったりしてできる。

虹の認識編集

伝承編集

ハワイのように虹が日常的にみられる地域もあるが、多くの地域では虹を見る条件が限られ世界各地で虹に関する伝説が伝承されている[1]

キリスト教においては虹は「神との契約」「約束の徴」を意味する(創世記9章16節)。

中国には虹を龍の姿とする言い伝えがある[2]。明確に龍虹と呼ぶ地域(広東省増城市)や、「広東鍋の取っ手の龍」を意味する鑊耳龍(広東省台山市)と呼ぶ地域もある。

虹の根元にはお宝が眠るといった言い伝えもみられる[2]

一方で、虹を「ラヨチ」と呼んで、魔物扱いして恐れる民族として、アイヌ民族がおり(後述書 p.157)、このことに関して、中川裕は、美しいものに魔物が惹きつけられる(狙う)という考え方と関係すると指摘している[5](アイヌ語で魂をラマッ、死ぬことをライといい、ラ音には不吉な意味が含まれる)。

文化編集

中世の日本では、虹の見える所に市場を立てた[6]。これは市場が、天界や冥府といった他界と俗界の境界領域に立てられるものという考えに基づき[6]、現代の感覚では理解しづらいが、墓場にすら市が立てられたのも境界領域と見られていたためであり[6]、『万葉集』において、柿本人麻呂が亡き妻を想って、「軽の市」に行き、妻をしのぶ歌を作ったのも、こうした考え方に基づく[6]。『枕草子』において、「おふさの市」=虹の市が登場し、中世の書物や貴族の日記にも、虹の立つところに市を立てなければならないという観念が確認でき[6]、これは虹が天と地の懸け橋という考え方に基づいていたためと見られ、神々が降りる場であり、それを迎える行事として市が開かれたと考えられる[7]。また中世貴族は虹が確認されれば、陰陽道天文博士にそれが吉凶どちらかの予兆か占わせた[6]ブロニスワフ・マリノフスキは、西太平洋のトロブリアンド諸島クラと呼ばれる部族間の原始的交換儀式の際、呪術師に虹を呼び出す呪詞が唱えられる事例を報告しており、虹と原初的市の関係の古さが分かる[7]

光学への影響編集

 
プリズムによる白色光の色分解

フランスの哲学者であるルネ・デカルト1637年に刊行された『方法序説』で、虹が大気中の細かな水滴で太陽光が屈折して生じるものであることを突き止め、これらの光を再び集めれば白い光が再現されるだろうと示唆した[8]

イギリスの物理学者であるアイザック・ニュートンは、プリズム1対に凸レンズとスリットを組み合わせた実験を行い、凸レンズで収束させた光が白色光であることを確認した[8]

ニュートンはプリズムに白色光をあてると虹色が見られることから、光は様々な粒子の混合体であるという「光の微粒子説」を唱えたが、ロバート・フッククリスティアーン・ホイヘンスなどから激しく批判された。

色の数編集

 
虹の拡大図。上から順に、計算上の理想的図、実際に撮影された物、コンピュータ処理済みの図。クリックで拡大

地上に届く太陽光のスペクトルは連続しており虹の色に明確な境界があるわけではない。虹の色を何色とみるかは国によって異なる[1]

日本では一般に    赤・    橙・    黄・    緑・    青・    藍・    紫の7色とする[2]アメリカ合衆国では一般的に6色とされることが多い(赤・橙・黄・緑・青・紫)[2]。また、ドイツでは5色とされることも多い[2]。全体の色の並びは、日本語では「せき・とう・おう・りょく・せい・らん・し」と丸暗記するが、ロシア語ではもっと文学的に「すべての狩人キジがどこに留まるかを知りたい。」という文章の各単語の最初の文字(КОЖЗГСФ)が色を現わす単語の最初の文字になるようにして覚える。

また、光の場合は周波数の違いは色に相当する。虹は外側から、        オレンジ    黄色        水色        という順に考えられており、これは周波数が低い順番になる[9](ただし、水色と青に関しては、赤→→黄→緑→青→→紫の順番とも考えられる)。

ニュートンは虹の研究において光の帯に境界を設けて虹を7色とした[2][10]。ニュートンはキリスト教の研究者でもあり一説には7を音楽の7音音階にもつながる神聖で特別な数と考え虹を7色としたともいわれている[2][10]。また、一説には、楽器のリュートのフレットと虹の光を照らし合わせて7色に区切ったとも言われている。

虹の色を何色とするかは、地域や民族・時代により大きく異なる。

アメリカ合衆国ではニュートンによる研究以前にも虹を7色とする文化も見られたが時代が下るとともに6色とみる認識が一般化した[2]

日本でも5色(古くは8色や6色)、沖縄地方では2色(赤、黒または赤、青)、中国では古くは5色とされていた。なお現代でも、かつての沖縄のように明、暗の2色として捉える民族は多い。インドネシアフローレンス島地方では、虹の色は、赤地に黄・緑・青の縞模様(色の順番としては、赤・黄・赤・緑・赤・青・赤となる)とするが、この例のようにスペクトルとして光学的に定められた概念とは異なった順序で虹の色が認識されることも多い。

虹の色は言語圏によっても捉え方が異なる。実際に、ジンバブエショナ語では虹を3色と捉え、リベリアバッサ語英語版を話す人々は虹を2色と考えている。このように、虹の色とはそれぞれの言語の区切り方によって異なる色の区切り方がなされるのである[11]

虹の色が何色に見えるのかは、科学の問題ではなく、文化の問題である。何色に見えるかではなく、何色と見るかということである。

虹に類似した大気光学現象編集

学術的には虹でなくとも、色が分かれていたり、弧を描いたりしていて、一般的には虹と混同されやすい大気光学現象が多数ある。

  • ブロッケン現象光輪 - 観察者を中心として、太陽と正反対の方向にできる。虹と同様に色分かれがあり、水滴によって起こるが、光が水滴内を通過する際のメカニズムが異なる。
  • (かさ、うん、ハロー) - 太陽の周りにできる。虹と同様に色分かれがあるが、氷晶によって起こる点が異なる。
  • 光環(光冠) - 太陽の周りにできる。色分かれはほとんど無く、光が回折することで起こる。
  • 彩雲 - 雲に重なって見え、できる位置はさまざま。色分かれはほとんど無く、光が回折することで起こる。

このほかに環水平アーク環天頂アーク外接ハロ幻日など、虹のように色分かれする現象は多数ある。

月虹編集

月の光でも同様に虹ができる。この場合は月虹(げっこう)という。

星虹編集

星虹(せいこう、英語: starbow)とは、光速近くで移動する宇宙船から星空を眺めると、ドップラー効果特殊相対性理論の効果によって、星の見かけの位置が進行方向前方に移動し、進行方向を中心とした同心円状に星の色が変化して虹のように見える、といわれている現象である。英語のスターボウ(starbow)は、雨が作る弓型であるrainbowから、星が作る弓型という意味で作られた造語。また星虹はその直訳語である。

通過する救急車サイレンや、電車内から聴く踏切の警報など、音源からの距離が連続的に変化することで周波数を圧縮・延伸され、音が歪んで聞こえる現象(ドップラー効果)は日常的に体感することができるが、これらの音波と同じように、相対的に接近し遠ざかってゆく星々から、飛行中の宇宙船に向かって飛んで来るの波長が圧縮・延伸されることにより色が歪んで見えるため、全体が虹の様に色を帯びて目に映るのではないかと仮説したもの。

しかし、仮に全ての恒星などからの光がすべて単一の波長であるならば赤から紫まで明瞭に色が分かれた虹に見えるであろうが、実際には様々な星が様々な波長の光を放出しているため、七色に分かれた一般の虹のように見えることはない。星のスペクトルを黒体輻射と仮定してドップラー効果による色変化を検証した科学論文[12]によれば、ドップラー効果による色変化は星温度の変化と同様で虹にもドーナツ状にもならないことが示されている。シミュレーションソフト[13]で再現した場合も進行方向に明るく青っぽくなり、側方、後方の星は赤く暗くなる色変化は観測されるが星虹は出現しない。

いずれにせよ亜光速で飛行できる宇宙船が実際に在ると仮定した場合にのみ、観測が可能となる空想科学上の現象であり、現代の科学技術ではそのような宇宙船はまだ理論の上にも現されていない。

虹に関する表現編集

 
レインボーフラッグ

虹とデザイン編集

色彩やデザインにおいては、虹のように多色を規則的に並べる技法がある。このとき規則的に並んだ色を「虹色」と呼ぶことがある。

象徴としての虹編集

虹はさまざまな色を含むが、そのすべてが太陽の白色光から分かれたものであり、各色の間に明確な境界を引くこともできない。この性質から、虹色の旗は「多様性」「共存」の象徴として用いられている。セクシュアリティの多様性と共存という意味合いからLGBTの象徴としても用いられる(平和の旗レインボーフラッグ[14])。同じ理由から、直接民主主義の実現を目指すハンガリーインターネット民主党も虹をそのシンボルに採用している。

スポーツの世界では、世界選手権自転車競技大会の優勝者だけが着ることを許される、マイヨ・アルカンシエル(英語では「レインボージャージ」とも)にもあしらわれている。優勝者は生涯、ユニフォーム等の一部に虹色のデザインをあしらうことも認められる。

脚注編集

[脚注の使い方]
  1. ^ a b c d 武田 2014, p. 45。
  2. ^ a b c d e f g h i 武田 2014, p. 46。
  3. ^ 服部貴昭の備忘録/第三次虹
  4. ^ 村井昭夫, 鵜山義晃 『雲のカタログ 空がわかる全種分類図鑑』 草思社、2011年、121頁。ISBN 978-4-7942-1823-0 
  5. ^ 中川裕『アイヌ文化で読み解く「ゴールデンカムイ」』集英社〈集英社新書〉、2019年、pp.157–158。ISBN 978-4-08-721072-9
  6. ^ a b c d e f 網野 1988, p. 154
  7. ^ a b 網野 1988, p. 155
  8. ^ a b 松本 2019, p. 22。
  9. ^ 蔵本 貴文『数学大百科事典 仕事で使う公式・定理・ルール127』翔泳社、2018年、95頁。
  10. ^ a b 松本 2019, p. 24。
  11. ^ 大修館書店『社会人のための英語百科』(監修 大谷泰照、堀内克明)163頁。
  12. ^ John M. McKinley and Paul Doherty (1979). “In search of the "starbow": The appearance of the starfield from a relativistic spaceship”. Am. J. Phys. 47 (4): 309-316. doi:10.1119/1.11834. 
  13. ^ HippLiner -- A 3D interstellar spaceship simulator with constellation writing function
  14. ^ 初期には同性愛コミュニティで使用された象徴であり、そのためゲイプライド旗とも呼ばれる。

参考文献編集

  • 武田 康男『不思議で美しい「空の色彩」図鑑』PHP研究所、2014年。
  • 網野善彦他『日本中世史像の再検討』山川出版社、1988年。ISBN 978-4-634-60210-6
  • 松本 英恵『人を動かす「色」の科学』SBクリエイティブ〈サイエンス・アイ新書〉、2019年。ISBN 978-4797398212
  • 尚学図書編『日本方言大辞典』徳川宗賢監修、小学館、1989年。ISBN 4-09-508201-1

関連項目編集