虹を見るとき、太陽はどちら側？｜見る人・水滴・太陽の位置をそろえる

雨上がりに虹を探すなら、まず太陽の方角を確かめ、太陽を背にする側を見ます。虹は空のどこにでも同じように現れる色付きの物ではありません。太陽の光、水滴、見る人の位置関係によって見える光の現象です。

虹の写真を見て「雨が降ったから」とだけ説明すると、雨が降っていても虹が見えない場合を考えにくくなります。この記事では、よく見られる主虹を中心に、どこを見るのか、色がどのように分かれるのかを整理します。特別な光学計算より先に、登場する三つを図へ置いてみましょう。

見る人を省略すると、位置関係が決まらない

太陽が西側の低い位置にあり、東側の空に雨粒がある場面を考えます。その雨粒に太陽光が当たり、適した向きから光が目に届くと、東側に虹が見えることがあります。太陽と雨粒だけ描いて、見る人をどこにも置かない図では、「誰から見て反対側か」が分かりません。

ノートの中央に観察者を描き、その後方に太陽、前方に水滴のある範囲を置きます。太陽の光は観察者を通ってから水滴へ進む必要はありません。図は、太陽が背後にあるという位置関係を示すものです。光の一本一本の道すじと、大きな配置の図は役割を分けます。

虹を見る位置関係。太陽を背にして、前方の水滴を見る。配置だけを示す模式図で、光線の正確な角度は表していない。

白っぽく見える太陽の光には、さまざまな色の光が含まれています。水滴に入るときと出るときの屈折では、色によって曲がり方が少し違います。そのため、目に届く向きが色ごとに分かれ、色の帯として見えます。透明な雨粒が、赤い色素や青い色素を新しく作っているのではありません。

主虹に関わる光の道すじは、水滴へ入るところで屈折し、水滴の内側で反射し、外へ出るところでもう一度屈折する、という流れで考えられます。ここでの反射を、以前扱った全反射と無条件に同じにしないことも大切です。虹をつくる道すじには、水滴から外へ出て目へ届く光が必要です。

空の大きな虹は、多数の水滴から適した方向へ届く光を、観察者が見ているものです。一粒の水滴が空に巨大な半円の物体を映し出している、という意味ではありません。虹の帯のある方向へ視線を動かすと、別の位置の水滴からの光を見ることになります。

また、見る場所が変われば、目に光を届ける水滴の組み合わせも変わります。「虹の端があの畑に着いているから、そこに行けば触れる」とは考えられません。目に見える位置と、実体のある物を置いた場所との違いは、水中の物の見かけの位置ともつながる考え方です。

虹を見る側には光を曲げる水滴が必要で、その水滴へ日光が届く必要があります。観察者のいる場所で雨が止んでいても、前方に雨粒が残っていれば条件がそろうことがあります。反対に、雨が止んでも厚い雲で日光が遮られていれば、同じように見えるとは限りません。

「雨上がりに見える」は見つけやすい場面の説明であって、雨が止んだことだけで必ず出るという規則ではありません。実験でも、水滴を用意しただけで成功と決めず、光の方向と目の位置を確認します。日光の代わりにどんな光源を使うかによっても、見える色や明るさは変わります。

夕方、太陽は西側の低い空にあり、東側に雨の降っている範囲が見えました。太陽光はその雨粒に届いているとします。主虹を探すとき、東と西のどちら側を中心に見るとよいでしょうか。見る人からの位置関係を説明してください。

答え・解説： 東側です。見る人が太陽を背にし、前方の水滴から届く光を見る配置になるためです。ただし、この情報だけで虹が必ず見えるとは言えません。水滴の位置や太陽の高さなど、光が目へ届くための条件も関係します。方角の候補を決める問題と、見える保証をする問題は分けます。

透明な水滴に白っぽい太陽光が当たり、色の分かれた虹が見えました。Aさんは「水滴の中に、虹の色の染料が含まれている」と考えました。この説明に代わる、光の性質を使った説明を書いてください。

答え・解説： 太陽光にはさまざまな色の光が含まれ、水滴を出入りするときの曲がり方が色によって異なるため、色が分かれて見えます。透明な水滴でも、この働きは起こります。観察した色を、そのまま水の中の物質の色だと決めつけないことがポイントです。

写真には、撮影した向きと時刻があると役立ちます。虹だけを切り抜くと、太陽がどちらにあったかを確かめにくくなるからです。写真に太陽が写っていなくても、撮影方向や影から位置関係を検討できますが、情報がなければ推測として扱います。

太陽を直接見つめて位置を調べたり、太陽へ双眼鏡を向けたりしてはいけません。安全に方角を確かめ、虹の側を観察します。「雨のあとに七色が出る」という覚え方から一歩進み、太陽、水滴、目の順に説明できると、光の曲がり方を自然の現象へつなげられます。