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虹(にじ、霓)とは赤から紫までの光のスペクトルが並んだ円弧状の光である。気象現象の中でも大気光学現象に含まれる。

太陽の光が空気中の水滴によって屈折、反射されるときに、水滴がプリズムの役割をするため、光が分解されて複数色(日本では七色とされる)の帯に見える。雨上がり、水しぶきをあげる滝、太陽を背にしてホースで水まきをした時などに良く見ることができる。

◆ 名称

英語のレインボー(rainbow)は、外来語として日本語にも取り入れられているが、「雨の弓」を意味する。また、フランス語ではアルカンシエル(arc-en-ciel)といい、「空に掛かるアーチ」を意味する。

日本語の方言には、鍋づる(佐渡島、愛知県など)、地獄のお釜のつる(富山県射水市)、太鼓橋(大分県)、立ちもん(長崎県南高来郡)などと表現する例がある。

「虹」を意味する漢字(虹、?、?、?)に虫偏が多く存在する点を見ても解る通り、中国語では、虹を蛇や竜の一種と見なす風習が多い。明確に龍虹と呼ぶ地域(広東省増城市)や、「広東鍋の取っ手の龍」を意味する(広東省台山市)と呼ぶ地域もある。このような例は世界各地に存在する。虹を蛇の一種と見なす風習については「虹蛇」を参照すること。

◆ 虹の色数

虹の色の数は現在の日本では一般的に七色(赤、橙、黄、緑、青、藍、紫)と言われるが、地域や民族・時代により大きく異なり、ドイツでは五色、スウェーデンでは六色(赤、黄、青、緑、桃、藍)である。日本でも古くは五色、沖縄地方では二色(赤、黒または赤、青)とされていた。なお現代でもかつての沖縄のように明、暗の2色として捉える民族は多い。

赤地に黄、緑、青の縞(赤、黄、赤、緑、赤、青、赤)だとする地域(インドネシア、フローレンス島)も存在し、スペクトルとして光学的に定められた概念とは異なった順序として色が認識されることも多い。

スペクトルの項で後述するが虹を7色としたのはイギリス人の科学者ニュートンが最初であり、「オリジナルの基本色は、赤・黄・緑・青・菫それに橙・藍がありその中間に無限の変化がある」と述べている。故にイギリスでは一般的に虹は7色とされている。

右の画像は、日本手話の「虹」。「七色」を数詞の7で示し上方にアーチを描く。日本手話の数詞はソロバンと同じで、親指が5。他の指が1。画像は5+2で7となる。日本人の「虹の七色」という近代の虹のイメージからこの表現が選ばれたという。

◆ 虹の性質

主虹(しゅこう、しゅにじ)、または1次の虹と呼ばれるはっきりとした虹の外側に、副虹(ふくこう、ふくにじ)、または2次の虹と呼ばれるうっすらとした虹が見られることがある。主虹は赤が一番外側で紫が内側という構造をとるが、副虹は逆に赤が内側、紫が外側となる。

主虹は「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が40〜42度となる位置に見られる。このため、虹は太陽の反対側にみられ、太陽が高い位置にあるときは小さな虹が、夕方など太陽が低い位置にあるときは大きな虹が見られる。また、副虹は「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度が51〜53度となる位置に見られる。

簡単に虹を観察するには、よく晴れた日に太陽を背にして、目線の高さより上にホースなどで水を霧状に撒いてみるとよい。飛行機周辺の空気が水蒸気を多く含んでいる場合には、窓から眼下に360度円環状の虹が見られることがある。雲海を超える高い山でも、眼下に虹が見えることがある。この飛行機や雲海の虹はブロッケン現象によるもので、通常の虹やホースの水による虹とは原理が異なる。

それぞれの雨滴が反射する光のスペクトルは観察者が見る虹と向きが逆になっている。雨滴内部での光の反射は、左図のように、主虹では1回、副虹では2回であり、雨滴に入るときと出るときで各1回屈折を起こす。屈折の角度は色によって少し異なっている。

観察者が見ることができる虹を主虹で説明すると、無数の雨粒のうち、高い角度にある雨粒からは赤に近い光が、低い角度にある雨粒からは紫に近い光が観察者の目に届くため、赤(波長が長く屈折率が小さいので屈折しにくい)が一番外側で紫が内側という構造に見えている。

それぞれの雨粒は多色の光を反射しているが、1つの雨粒からはそのうちの1色のみが観察者の目に届く。たくさんの雨粒から「太陽」-「プリズムとなる水滴」-「観察者」のなす角度によって異なる色の光が見えて初めて虹となる。副虹の場合は色が反対となるが、同じように説明できる。

この角度は主虹、副虹ともに決まっているため、太陽の高度によって見えやすさや虹の大きさが決まる。40〜50度よりも低いと、観察者から遠い上空の雨粒を通って虹が見えるため、大きな虹ができる。40〜50度よりも高いと、観察者に近い地上付近の雨粒を通って虹が見えるため、虹は小さく見えにくい。

厳密には、虹はプリズムの分光と同じではなく、より複雑な現象である。水滴外の入射光を延長したラインと水滴の中心の距離(粒子衝突における衝突径数に相当。以下"$b$"を用いる)が異なると、光と水滴表面のなす角度が変わるため、出射光の角度も様々なものとなる。それにも関わらず、ある波長の光が特定の角度で強くなるのは、この散乱角θがbの関数で表したときに極値を持ち、その角度では、単位角度あたりの入射光のbの範囲(つまり逆関数b(θ)の微分)が発散するからである。これを虹散乱(rainbow scattering)といい、光学だけでなく原子物理や核物理での類似の現象も指している。

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