虹はなぜ見えるのか

水滴と光がつくる、虹の原理

あなたは、本当に虹を見たことがありますか?

私たちが空に見る七色の帯は、実は、空気中の水滴のひとつひとつに灯った たった一点の色が、数えきれないほど積み重なってできた光です。 一粒に近づけば、虹は七色ではなく、ひとつの色の点になる—— 光が水滴の中で曲がり、跳ね返って生まれるその一点まで、 このページでは近づいて確かめられます。

高速度撮影した空中の一粒の水滴。中央に光のハイライト、縁に分光した色の点が見える
実際に高速度撮影した、空中の一粒の水滴。
01

正面+横 同時

Combined

光路の断面(横)と、正面から見た水滴を同じ瞬間で並べる。一粒の水滴が落ちながら、光がどう屈折・反射して色が出るか、その仕組みと見え方が一目でつながる中心ページ。

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02

無数の水滴がつくる虹

Rainbow

20万の微小な水滴が織りなす七色の虹。厚みを0にすれば整った虹、増やせば奥行きとボケ、雨も降らせられる。一粒の中の色まで超望遠ズーム可。

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原理 ── ひとことで

虹は「空にある物体」ではなく、光源と観測者の位置関係が空中に描く幾何学です。反太陽点(自分の影の先)から 40.7〜42.4° の円錐上にある水滴だけが、裏面で反射した光を分光して眼に返します。だから光が動けば色の出る位置も動き、自分が動けば虹も逃げる。水滴はそれを見せるスクリーンの粒にすぎません。

角度の異なる7つの水滴。中の色の点が少しずつ変わっていく
角度がほんの少し変わるだけで、水滴の中の色の点も変わる。

主虹と副虹 ── 反射の回数のちがい

水滴に入った光は、入るときと出るときに屈折します(これは2本の虹で共通)。ちがいは、水滴の中で反射する回数です。

反射が1回増えるたびに光は少し弱まり、帯も広がります。だから副虹は主虹より淡く・約1.8倍太く見え、2本の虹の間は光が届かない暗い帯(アレキサンダーの暗帯)になります。「正面+横 同時」のページで、この1回/2回の反射が実際の光路として見られます。

使い方

物理の要点

この原理でつくられた作品 ── Light Sculpture

このページのシミュレーションは、水の屈折率と幾何学から色の出る角度を計算し、CGで再現したものです。 そして下の映像は、アーティスト Shinichi Maruyama が、空中に舞う本物の水滴高速度カメラで実際に撮影しています。写真シリーズ《Light Sculpture》の記録で、 同じ原理を、現実の水の一瞬として捉えたものです。

実写 ── 本物の水滴を、高速度カメラで実際に撮影しています。
Shinichi Maruyama オフィシャルサイトを見る →
制作の記録 ── note(日本語)Medium(English)
© Shinichi Maruyama / Light Sculpture