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虹が発生するためには、極めて明確な気象条件が揃う必要があります。その絶対条件とは、「観察者の背後に太陽があり、前方に雨粒（水滴）が存在すること」、そして「太陽の高度が高すぎないこと」の2点です。
空に浮かぶ無数の雨粒は、一つひとつが微小な球体のレンズ兼プリズムとして機能します。太陽から届く光（白色光）が水滴の表面に入射すると、空気と水の密度の差によって光の進行方向が曲がります（屈折）。水滴の内部に進んだ光は、水滴の奥の内面で鏡のように跳ね返り（反射）、再び水滴の外へと出ていく際にもう一度曲がります（再屈折）。
この「屈折 → 反射 → 屈折」という一連のプロセスを経ることで、もともと混ざり合って無色透明に見えていた太陽光が、光の成分ごとに分かれて観察者の瞳へと届けられます。これが、雨上がりという「水滴」と「直射日光」が同時に存在する短い時間帯にだけ、空に巨大なスクリーンが出現する物理的理由です。
また、虹が見える方角は完全に決まっています。観察者の頭の影が伸びる方向、すなわち太陽と正反対のポイント（対日点：たいじつてん）を中心として、太陽光線に対して約40度〜42度の角度を保った円弧上にのみ虹が現れます。正午前後など太陽が真上近くにある時間帯には、虹の円弧が地平線の下に潜り込んでしまうため、地上から虹を見ることはできません。虹との遭遇率が夕方や早朝に圧倒的に高いのは、この幾何学的な位置関係が理由です。
