初級8
化学・自然科学
分子はどうやって結びつくのか
編集部
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01なぜ雲は白いのに虹は色があるのか
このスライドでは、光・水滴・見え方のしくみをやさしく解説します。白い雲は、たくさんの小さな水滴が光をまとめて散らすことで白く見えます。一方、虹は水滴が光を色ごとに分けることで生まれます。この違いのカギは「散乱」と「分散」というふたつの現象です。光の性質と水滴の働きから、雲と虹の見え方の違いを理解していきましょう。
02白い光の中にはたくさんの色が入っている
虹の色は「新しく作られる」のではなく、もともと含まれている色が分かれて見えるものです。太陽の光（白い光）はプリズムを通すと赤・橙・黄・緑・青・藍・紫の7色に分かれます。波長の目安はナノメートル単位で、380nmの紫から750nmの赤まで広がっています。太陽の光は白く見えますが実は多くの色の混ざり合いであり、色ごとに波長が少しずつ違います。この波長の違いが、虹では色分かれの原因になっています。
03なぜ雲は白く見えるのか
雲が白く見えるのは、たくさんの小さな水滴が光をほぼ均等に散らすからです。雲の中には半径が数〜数十マイクロメートルほどの小さな水滴がたくさんあり、それぞれの水滴が入ってきた光をあらゆる方向に散らします。光は水滴に当たるたびにさまざまな方向へ何度も散らばるため、赤・緑・青などの光がほぼ同じように散らされ、色が混ざって白っぽく見えます。この現象はミー散乱として説明されており、雲の水滴が光の波長と同じくらいの大きさのときに起こります。雲では色を分けるよりも、光を全体として散らす働きが主役となっています。
04白い雲が灰色や黒っぽく見えることもあるのはなぜ？
雲の見え方が変わるのは、厚み・光の量・影の入り方によるものです。薄くて明るい白い雲（巻雲・積雲など）は、太陽光が雲の上面で散乱し下側にもたくさんの光が届くため、明るく白く見えます。一方、厚くて暗い雨雲（積乱雲・高層雲など）は、雲の中で光が何度も散乱・吸収されるため下側まで届く光が少なく、暗く灰色や黒っぽく見えます。夕方や逆光のときはさらに暗く見えやすいこともあります。雲の色の違いは雲そのものに違う色の色素があるわけではなく、「光の通りやすさ」と「影」の違いによるものです。
05虹はどうやってできるのか
虹は、雨粒の中で光が屈折し、内部反射して、もう一度外へ出ることで生まれます。まず太陽の光（白色光）が雨粒の表面に入ります。次に雨粒の中で光が空気よりも遅くなり、進む向きが曲がる屈折が起こります。そして雨粒の内側の後ろ側で光が鏡のように内部反射します。最後にもう一度雨粒の表面で屈折し、外に出るときに光が色ごとに分かれます。太陽の光が雨粒に入り1回反射して外に出るとき、観測者の反対側の空に虹が見えます。
06なぜ虹では色が分かれるのか
虹で色が分かれるのは、色ごとに曲がりやすさが少し違うからです。白い光は赤・橙・黄・緑・青・藍・紫などの色の光が合わさったものであり、色ごとに屈折率が少しずつ異なります。紫の光ほど屈折率が大きく、赤は少し、紫は多く曲がります。この屈折率の違いにより雨粒の中で進む角度が色ごとに分かれるため、観測者には帯状の色として見えます。波長が短い光ほど大きく曲がりやすく、プリズムでも雨粒でも赤が外側・紫が内側になります。この色分かれの正体が「分散」と呼ばれる現象です。
07虹が見える位置には条件がある
虹を見るためには、太陽が後ろ・雨が前・見る角度がおよそ42度という条件が必要です。太陽の光が雨粒に入り1回反射して外に出るとき、おおよそ42度の方向に集まって見えます。太陽が低い位置にあると見えやすく、観測者の背後に太陽があり前方に雨粒がある配置で虹が現れます。主虹は42度の方向に見えます。虹は空のどこにでも出るのではなく、観測者と太陽と雨粒の位置関係によって決まります。
08虹が弧（アーチ）に見えるのはなぜ？
虹がアーチ状に見えるのは、同じ角度の雨粒がたくさん集まって見えるからです。本来は円に近い形であり、同じ角度の雨粒がつくる円錐と視線が交わると円に近い形になります。地面があるので上の部分だけが見えて半円のアーチに見えますが、飛行機からは地面の影響を受けず円形の虹が見えることもあります。主虹は外側が赤・内側が紫の順に見えます。虹の形は「雨粒の並び」ではなく「同じ角度で届く光の集まり」で決まります。
09二重虹や虹の見え方のバリエーション
内部反射の回数が増えると、もう1本の虹が見えることがあります。主虹は1回の内部反射により約42度の方向に見え、外側が赤・内側が紫の色の並びになります。副虹は2回の内部反射により約51度の方向に見え、色の順番は逆になります（外側が紫・内側が赤）。副虹は主虹の外側にでき、光がより多く散乱・吸収されるため色が薄く見えます。条件がそろうと霧虹・月虹などの変わった虹が見えることもあります。
10まとめ：雲は散乱、虹は分散
今回はなぜ雲は白く虹は色があるのかについてお伝えしました。同じ太陽の光でも、水滴との関わり方で見え方は大きく変わります。白い雲では無数の小さな水滴が光を全方向に散乱させることで色が混ざり合い白っぽく見えます。一方、虹では空中の雨粒に光が入り屈折・内部反射・再屈折することで光が色ごとに分かれ、7色のアーチとして見えます。雲は水滴が光をまとめて散らし、虹は雨粒が光を色ごとに分けるという違いを覚えておきましょう。