虹の原理（虹ができる仕組み）

霧吹きで日差しに向かって水をシュッと吹きかけると、小さな虹ができますよね。空に架かる大きな虹も仕組みはまったく同じです。主役は、雨上がりの空に残された無数の水滴たち。一粒一粒はとても小さいですが、まるで完璧なガラス玉のように働きます。

太陽光が水滴の中に入り込むとき、最初の変化が起こります。空気中を進んできた光が水の中に入るとスピードが落ちて進路が曲がります。これを屈折と呼びます。この瞬間、白く見えていた光の中に混ざっていた様々な色が、それぞれ少しずつ違う角度で分かれ始めます。

水滴の中に入った光の一部は、反対側の内側の壁にぶつかって跳ね返ります（残りはそのまま突き抜けて外へ出ます）。これが第2ステップの反射です。鏡のように光を跳ね返すプロセスですね。そして最後に、水滴から空気中へ出るときにもう一度屈折し、色がさらに大きく広がって私たちの目に飛び込んでくるのです。

よく見かける虹（主虹）をじっくり観察してみると、一番外側が赤で、一番内側が紫になっています。この並び順がいつでも決まっているのは、色によって光の「波長」が異なるからです。波長とは、光が波打って進むときの波ひとつの長さを指します。

赤い光は波長が長いため、水滴を通過するときに曲がる角度が比較的小さめです。反対に、紫の光は波長が短いため、水滴の中で大きく急激に曲がります。このように波長によって光の曲がりやすさが違うために色が分かれる現象を光の分散といいます。

水滴から出てくる光は、太陽の反対側を基準にして、赤い光が約42度、紫の光が約40度の角度で出てきます。つまり、赤い光のほうがやや急な角度で下に向かって進みます。そのため、空の高い位置にある水滴からは、曲がり方の小さい赤い光だけがちょうど私たちの目に届きます。逆に、少し低い位置にある水滴からは、大きく曲がった紫の光が目に届きます。その結果、私たちの目には、高い水滴が集まる外側（上側）が赤く見え、内側（下側）が紫に見えるのです。

私たちは地面に立っているため、虹をアーチ状の半円として見ることが一般的です。これは虹の円の中心が、太陽と反対側の地平線の下にあるため、上半分しか見えないからです。太陽の高度が低いほど半円に近く見え、太陽が高くなるほど見えるアーチは小さくなります。もし高いところを飛ぶ飛行機や山頂から、太陽を背にして下方の雨雲や水しぶきを見下ろすと、完全な円を描く虹を見られることがあります。虹とは本来、自分の目と太陽を結ぶ直線を軸として、約42度の角度で広がる円錐状の光だからです。

ときどき、虹の外側にうっすらともう一本の虹が架かる「二重虹（ダブルレインボー）」を見かけることがあります。外側の薄い虹は「副虹（ふくこう・2次虹）」と呼ばれ、光が水滴の中で1回ではなく、2回反射してから出てきた光です。

反射するたびに光の一部が水滴の外へ逃げてしまうため、2回跳ね返った副虹はかなり淡く見えます。さらに、光が水滴の下側から入って中で2回反射するため、進路が主虹と逆転します。副虹は約51度の角度に見えるため主虹の外側に現れ、色の並び順も逆になって外側が紫、内側が赤になります。