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「虹」はなんで「虹色」に見えるの? 「波の屈折」を徹底解説!

大人なら知っておきたいそのメカニズム
大好評! ブルーバックス『いやでも物理が面白くなる〈新版〉』(著・志村史夫)に惜しくも収録されなかった「波」についてお届けする短期集中連載!

第3回、最終回の今回は「波の屈折」についてご紹介! 「虹」と「夜汽車の音」のヒミツの鍵を握る「屈折」現象とは? 今回は特別に書籍版『いやでも物理が面白くなる〈新版〉』に掲載されている内容もちょい見せしちゃいます!

【過去の連載】
第1回:身近で体感!「波」を知りたければ「野球場」と「釣り堀」に行こう!
第2回:一番「きれいな音色」の楽器は何? 「音波」の正体に迫る!

「虹」、ボーっと見てませんか?

雨上がりの後、太陽が空の一部で輝くと、美しい半円状のスペクトル、すなわち「虹」が現れることがある。

大きな滝の前面に見える虹も美しい(私は、昔見たナイアガラの滝の前面の虹をいまでもはっきりと憶えている)。また、夏の日、庭にホースで水をまいているときなどにも小さな虹を見ることがある。

ナイアガラの滝にできた虹 Photo by gettyimages

虹は、どのようにしてできるのだろうか? 誰もが知っている虹ではあるが、そのメカニズムは簡単ではない。

カギを握るのは「水滴」だった!

虹を初めて科学的に説明したのは、近世哲学の祖、解析幾何学の創始者といわれるデカルト(1596〜1650)と考えられており、1637年に公刊された『方法序説』の中に絵入りで説明されている。デカルトは、「われ思うゆえにわれあり」の言葉で有名な、ニュートンより一世代前のフランスの天才である。

さて、虹ができる(正確には、虹が私たちに、あのように見える)メカニズムを考えてみよう。

虹は、①空中に無数の水滴があり、②太陽を背にしたときに見える(図1)。この二つの条件が満たされなければ虹は決して見えないから、虹に水滴と太陽光が深く関わっていることは確かである。

図1 虹の見え方

「最初のタネ」を明かせば、虹は、三次元空間に浮遊する無数の水滴の一粒一粒が、それぞれプリズムのはたらきをした結果の現象である。

太陽光がプリズムを通ると分光されて虹色のスペクトルが現れることを考えれば、「ああそうか、水滴がプリズムの役割を果たすのか」と、虹のメカニズムがなんとなくわかるような気がするだろう(図2)。

図2 プリズムによる虹

図2中のスクリーンが曇りガラスのようなものでできているとすれば、スクリーン上の「虹」をAの位置からもBの位置からも見ることができる。確かに、スクリーン上に「虹」が見えるのだが、この虹の形は「ほんものの虹」のように半円状にはなっていない。また、「ほんもの」の場合と決定的に異なるのは、実際の空中にはスクリーンのようなものなどないということである。