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にじ
うん
虹 と 暈
(かさ,ハロ)
霧 や 雲 の中の 水滴 や 氷の結晶 による太陽の光の
反射・屈折によって、彩り鮮やかな気象現象が現れる。
----- 天からの贈りもの
今回のファイルには他者に著作権のある写真が含まれて
いましたので、Wikipediaのもの以外は省略してあります。
雨上がりの虹と副虹 →
太陽を背にして仰角が42゜と50゜
主虹
暗帯
副虹
主虹の内側 と 副虹の外側 に淡く
反射光が見えている。
虹は水滴による反射光範囲の
縁取り である。
← 滝の水しぶきによる虹
虹の内と外で明るさが違う。
内側には反射光が見える。
(写真はいずれもWikipediaより)
にち うん
日 暈 (日がさ)
周りにくっきり見えている虹色の円
どちらも太陽と同じ側に見える。
げん
じつ
幻 日
虹色のスポット
円の視角半径は 22゜
これは屈折角の極小で、その外側に
淡く屈折光が見えている。
(内側の明るい部分は太陽)
(写真はいずれも Wikipedia より)
(同じ高度にある左の明るい部分は太陽)
虹でも日暈でも、水滴や氷の結晶からの反射角や屈折角に極大(極小)値
があることが重要である。極値を持つとき、その角度で屈折光の強度が最大
となり、その一方の側には屈折光が全くないという、まさに 際(きわ)だった
現象が起きる。 色による屈折率の微妙な違いにより 分 散 が起きて、その
際(きわ)あるいは 縁(ふち) に、いわゆる 虹 模 様 が見えるのである。
反射光なし
屈折光なし
太陽
42゜
22゜
虹(主虹)
日 暈 (内暈)
こういう大自然の気象現象が、以下で見るように光の屈折の法則を
用いた計算どおりに正確に現れるのは、驚きである。
このあと5枚は、しばらく 用語解説
光の色と波長
(RGB表現とは全く違う連続スペクトル)
380
自然光の連続成分 (太陽の熱放射のうち可視光域)
紫
外
線
770
赤
外
線
400
500
600
700
波長 (nm) (ナノメートル : 1 nm = 10-9 m)
1000 nm = 1μm(1 ミクロン)=1000分の1 mm 程度
髪の毛~20μm
1 nm = 10-9 m
最近、ナノ科学と言っているのは、この領域のことで、
原子の大きさの10倍程度の大きさを言う。
屈折
波
波の伝わる速さが異なる、2種類の媒質の境界で起きる現象
光 (波) はいくら細くても幅を持っている。
車の前右輪に先に ブレーキ がかかったら?
波の伝わる 速さ が
ブレーキ
速い
遅い
がかかる!
屈折
屈折・反射の法則
入射光
反射光
入射角
入射角と同じ
速い
遅い
屈折光
入射角によらず
分 散
波長(振動数) ←→ 色 が対応
水やガラスなどの透明な物質中では、波長(色)によって光が進む
速さが違う。
____
→ 色によって屈折率 (曲がり方) が違う。
分散
自然光
という
色の成分に分かれる。
ガラスのプリズム
全反射
逆に光の速さが遅い媒質中から光が出るとき
①
②
一部が屈折して透過
③
④
速い
境界面すれすれ ⑤
遅い
⑥
⑥
屈折の法則を満た
⑤’
して出て行く角度が
④’
なくなり、全部反射
するしかない。
臨界角度
③’
残りは反射 ②’ ①
③
②
⑤
④
これより入射角度が
大きくなると?
(用語解説おわり)
虹 (にじ)
--- 雨上がりの 水滴 による _
_
太陽光の屈折・反射現象
雨上がりの空に浮遊する水滴による反射
入射位置
内面で反射
太陽光
水滴
入射位置によって、いろんな
方向に屈折して反射する。
折り返し点がある。
直接反射
2回反射後、透過
もちろん表面での反射が一番強い。
色の分散はなく、水滴の集まりが
入射位置によって、 白く輝くのはこの反射光である。
入射角 X が異なる。
太陽光
屈折・反射の法則
水滴内面での
反射なしで透過
水滴
= 主虹の仰角
= 副虹の仰角
_ __ (ただし、上下を
_ ___ 逆にした場合)
1回反射後、透過
主虹
1回反射
色による屈折率の違い(分散)
で、仰角が微妙に異なる。
自然光 →
水滴
副虹
分散
2回反射
赤の方が仰角が大
最大が約42゜
水滴
自然光 →
(注) 反射のたびに光は
弱くなるので、主虹にくら
べて 副虹は淡い。
分散
青の方が仰角が大
最小が約50゜
入射位置
すれすれに入射する光の経路は?
太陽光
水滴
入射位置によって、
いろんな方向に
屈折して反射する。
反射角が最大になり、折返し点で
反射光が重なって最も強い方向
仰角 42゜
(屈折率1.33の場合)
2回反射後、透過
入射位置によって、
入射角 X が異なる。
太陽光
反射なしで透過
(注) 反射のたびに光は弱くなる
ので、主虹に比べて副虹は淡い。
1回反射後、透過
水滴の場合 (屈折率1.33)
一度も反射なしの屈折光では、
単調変化 である。
直接反射
90
反射なし
反射角 80
(仰角)
Y
(度)
2回反射
70
60
最小値
副虹の範囲
50
50゜
42゜
水滴内側で反射した反射光のない範囲 (暗帯)
40
主虹の範囲
最大値
30
20
1回反射
10
0
0
10
20
30
40
球面への
50
入射角
60
X
70
(度)
80
90
(計算は付録1参照)
虹(にじ)
水滴の内側で1回または2回反射してから透過する場合は、
屈折角が90゜以上になり、太陽を背中にしたときに見られる
反射光となる。1回反射の場合は主虹となり、目から見たとき
の仰角が最大値をもち、赤が外側に来る。2回反射の場合は
副虹となり、仰角は最小値をもち色の順序が逆である。主虹
(仰角42゜)と副虹(同50゜)の間には、水滴の内側で反射した
反射光がやってこない角度範囲が存在する。
反射なしでの透過光は屈折角が90゜以下で、極値(最大・
最小)がない単調変化のため、水滴の場合は際だった現象は
見られない。氷の結晶ではこの透過光が 日がさ を作る。
虹が(半)円形になるのは何故?
水滴群
横からも来る。
反射光は下からも、
1回反射光は最大値 42゜の 円錐 の中に入る。
反射光の円錐
--- 地上では上半分しか見えない。
(暗帯)
水滴内側で反射した
反射光のない範囲
反射虹
静かな海では4重の虹が見える?
(新庄剛司のブログは正しいのだ)
副虹
主虹
副虹
主虹
42゜
42゜
ジープ島
縁が虹色になるのは何故?
主 虹 (1回反射)
太陽光
屈折
分散
水滴
屈折の法則
分散
主虹では屈折率が大きいほど、仰角
1回反射後、透過
は小さい。副虹では逆。
屈折率が色によって微妙に異なるため(=分散) 、反射光の見える 円錐 の
半径 (視角) が少しずつ違い、周縁ではそのズレのため 虹色 になる。
(1回反射の場合の反射光の円)
←大
波長
小→
屈折率 大
屈折率 小
反射光の円錐を重ねたら…
赤の反射光の円錐
緑の反射光の円錐
青の反射光の円錐
虹の外側は反射光なし
『主虹では赤が外になり、副虹では逆になる。』
横から見たら...
水滴は1個ではなく
水滴群
太
陽
副虹
主虹
約42゜ 約50゜
ある位置にいる人の
目に入ってくる各色を
反射しているのは、
別々の水滴である。
もし分散 (色による屈折率の違い) がなかったら?
--- 色気のない不気味なモノクロの世界
水滴でなく 霧の微粒子 による反射では屈折・反射
という幾何光学が成り立たなくなるため、太陽光が
分散せず、白い虹 が現れることがある。
光の波長=1000分の1ミリメートル(以下)
にち うん
げつ うん
日 暈 (日がさ、ハロー、月の場合は 月 暈)
--- 雲の中の 氷の結晶 による屈折現象
にち うん
日 暈 (日がさ)
周りにくっきり見えている虹色の円
どちらも太陽と同じ側に見える。
げん
じつ
幻 日
虹色のスポット
円の視角半径は 22゜
これは屈折角の極小で、その外側に
淡く屈折光が見えている。
(内側の明るい部分は太陽)
(写真はいずれも Wikipedia より)
(同じ高度にある左の明るい部分は太陽)
直接反射
巻層雲の中の
氷の結晶による
屈折
全反射
120゜
六角柱の氷晶:
120゜をなす隣り合う側面での 反射 は、入射角が大きすぎて
全反射となり、次の面で透過しても偏向角度 が大きくて、ほとんど目立たない。
一つおいた次の面で一部が 透過 する場合は、偏向角度が適度に小さいので、
観測されることがある。
このため、六角柱の氷晶は三角(60゜)プリズムの一部とみなして考えればよい。
直角
側面から入って上面から出て行く場合(あるいはその逆の場合)は
直角(90゜)プリズムの一部とみなせる。
(60゜プリズム)
屈折角
入射角
太陽光
氷晶 :
屈折率 n =1.31
全反射限界
太陽からの入射光は平行で、プリズムの向き(回転角)
が様々に分布している。
図の入射角 X が 14゜<X ≦ 90゜の範囲で透過するが、入射方向からの偏向角度
(屈折角) Y は、入射角 X = 41゜付近で 最小値 22゜ となる。
(90゜プリズム)
屈折角
入射角
太陽光
氷晶 :
屈折率 n =1.31
全反射限界
90゜プリズムでは、 入射角 58゜<X ≦ 90゜ の範囲で透過するが、
入射角 X=68゜ 付近で、屈折角 Y が 最小値 46゜ になる。
氷晶の場合 (屈折率 1.31)
70
屈折角
60
外 暈、環水平アーク
Y
(度)
50
90゜プリズム
最小値
46゜
40
内 暈、幻日
60゜プリズム
最小値
30
22゜
20
10
0
0
10
20
30
氷晶面への
40
入射角
50
X
60
(度)
70
80
90
(計算は付録2参照)
日暈
(にちうん、日がさ、ハロー)
巻層雲の中の氷晶の軸の向きが様々に分布しているため、最小角度 22゜は
太陽を中心とした 広がり 22゜の円錐 として現れ、日暈 と呼ばれる。 (月の
場合は月暈。) 屈折光はこの円錐より 外側 になり、円錐の周縁(内縁)には
がいうん
内側が赤の淡い 虹模様 が見える。46゜の 外暈 は淡くてめったに見られない。
(その代わりに、平べったい六角柱の90゜プリズム
屈折で、環水平アークと呼ばれる鮮やかな虹が
屈折光
見えることがある。)
太陽や月を覆っている明るい広がりは、
氷や水滴の表面からの 直接反射 による
もので、これだけが見えることが多いが、
これは暈(かさ)ではない。
月暈
「月がかさをかぶっている?
」
内暈
げん
じつ
幻 日
けんそううん
巻層雲
両側に見える
こともある。
氷晶の六角形の面の方向が落下の際の
空気抵抗により水平方向にそろっている場合、
太陽光が屈折して目に届く条件をみたすのは、
日暈の輪郭の一部分だけとなり、太陽の高度
が低い場合には太陽の横 (片方または左右)
に 虹色のスポット ができる。
(注)太陽はずっと遠方のため、
__太陽光線は平行である。
プリズムの方向がそろっているため、屈折光
はいわば日暈の半周分を集めた明るさになる。
水平に整列した氷晶群が太陽の下または上にあって、光が90゜の角を通って
屈折してやってくるときには、この幻日と同じ原理で、太陽から46゜下または上の
外暈の位置に、環水平アーク、天頂アークと呼ばれる明るい虹状の帯が現れる。
環水平アークと天頂アーク
環天頂アーク
外暈(淡くて
90゜プリズム
見えにくい。)
(同時に見えることもある。)
太陽の上に
内暈
46゜前後
46゜前後
46゜前後
46゜前後
太陽の下に
環水平アーク
氷の結晶が水平にそろっているときには
幻日環(白虹) と 太陽柱
日暈
同じく氷の結晶が水平に整列しているとき、六角柱結晶の 側面での反射 に
よって起きる現象であり、太陽と幻日を通る円弧状に現れる。氷の内部を透過し
ないため屈折による分散がないので、虹色になることはなく、これも 「白虹」
(はっこう)と呼ばれることがある。
また、平べったい結晶が水平に整列しているとき、上下の 表面での反射 に
よって 太陽柱 が現れることもある。
日暈、幻日、幻日環
同時に観測されることも多い。
幻日
太陽
幻日環
日暈
こういう現象の観測によって、雲の中の氷の結晶の様子を
知ることができるのである。 (写真は Wikipedia より)
(雑学) 広がり 22゜ってどれくらい?
38
(19)
22゜
100 (50)
_腕をまっすぐに前方に伸ばして
手のひらをいっぱいに広げたときの、
親指と小指の間の幅になります。
_日暈や月暈はこうやって位置を
定めてやれば見えてきます。実際
に空に手をかざしてみると、驚くほ
ど大きいでしょう。
なぜかというと、太陽や月は意外に小さくて、
直径の視角が約 0.5 度、腕を前に伸ばして
手に持った5円玉の穴の大きさくらいなのです。
古代メソポタミアでは、太陽が地平線から
地平線まで、天空を横切る距離 (角度)が、
だいたい 太陽を 360個
並べたくらいで あることが
天空
知られていました。
地平線
太陽360個くらい
平べったい氷の結晶が大気中を落下するとき、どうして水平に整列するのか、
不思議ですね。
抵抗を少なくするため、鉛直になる方がよさそうにも思えます。
しかし、落ち葉なんかをよく見ていると、ほぼ水平姿勢を保ちながら、ヒラヒラ
と舞い降ります。
これは風呂で実験できます。1円玉を何個か持って風呂に入り、湯船に
つかったまま、水面の50cmくらい上から落としてみてください。
たとえ鉛直に落としても必ず斜めにもぐりこみ、サッと水平になろうとします。
水中を鉛直姿勢で落下するのは、どうやら不安定なようで、わずかでも傾き
があると水の抵抗で倒されてしまい、結局、水平に向かうようです。
10円や100円では、家庭の風呂では距離が浅すぎるらしく、値段のわりに
は うまくいきません。銭湯の浴槽なら実験できるかもしれません。
鉛筆のような棒状の結晶は、鉛直姿勢で落ちるようです。
付
録
水滴や氷の結晶による反射角・屈折角の計算です。
気になる人だけ、フォローしておいてください。
使用するのは中学校程度の幾何学の組み合わせと、
三角関数 (sin関数) です。
水滴による反射角
太陽 、入射点 、球の中心 を含む断面で考える。
屈折の法則
太陽光
反射の法則
代入
光の進路の 回転角 を
順番に たしていくだけ。
幾何学遊びはここまで。
代入
(π=180゜)
(ここまでは中学校の幾何学の応用です。)
一応、数式を書いておきますが、この程度の計算で求められるということだけ、
理解しておいてください。三角関数を知っている人なら、それほど複雑な式では
ありませんね。
直接反射
2回反射後、透過
もちろん表面での反射が一番強い。
色の分散はなく、水滴の集まりが
入射位置によって、 白く輝くのはこの反射光である。
入射角 X が異なる。
太陽光
水滴内面での
反射なしで透過
水滴
= 主虹の仰角
= 副虹の仰角
_ __ (ただし、上下を
_ ___ 逆にした場合)
1回反射後、透過
水滴の場合 (屈折率1.33)
度
直接反射
90
反射なし
80
2回反射
70
反射角 60
(仰角) 50
Y
40
30
20
1回反射
10
0
0
10
20
30
40
球面への
50
入射角
60
X
70
80
90
度
水滴の場合 (屈折率1.33)
一度も反射なしの屈折光では、
単調変化 である。
直接反射
90
反射なし
反射角 80
(仰角)
Y
(度)
2回反射
70
60
最小値
副虹の範囲
50
50゜
42゜
水滴内側で反射した反射光のない範囲 (暗帯)
40
主虹の範囲
最大値
30
20
1回反射
10
0
0
10
20
30
40
球面への
50
入射角
60
X
70
(度)
80
90
(計算は付録1参照)
(付録2) プリズムの屈折角
の計算
頂角
屈折角
屈折の法則
屈折の法則
入射角
入射光
氷晶の場合 (屈折率 1.31)
度 70
60
90゜プリズム
50
屈折角
40
Y
60゜プリズム
30
20
10
0
0
13.5゜
10
氷晶面への
20
30
入射角
40
X
50
57.8゜
60
70
80
90 度
(下限値は全反射限界 X ”=90゜ に対応)
氷晶の場合 (屈折率 1.31)
70
屈折角
60
外 暈、環水平アーク
Y
(度)
50
90゜プリズム
最小値
46゜
40
内 暈、幻日
60゜プリズム
最小値
30
22゜
20
10
0
0
10
20
30
氷晶面への
40
入射角
50
X
60
(度)
70
80
90
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