環天頂アーク

別名

英名

氷晶

配向

レア度

環天頂弧、天頂環、逆さ虹

別上部46°プレートアーク

circumzenithal arc

upper 46° plate arc

upside-down rainbow

六角板状氷晶、六角柱状氷晶

プレート配向、パリー配向

★★★☆☆☆☆☆

10～40回/年

光路の一例

環天頂アーク　立体図

光路の一例

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概説

●環天頂アークとは

　見た目は太陽から視角45～58°上に現れる、天頂を108-120°囲む虹色の弧（内側が赤、外側が紫）である。高い出現頻度と鮮やかさから有名かつ人気な大気光学現象であり、しばしば「逆さ虹」としてメディアに取り上げられる。環水平アークの対の現象であり、「環天頂アークと環水平アーク」の関係性は「右幻日と左幻日」「上部タンジェントアークと下部タンジェントアーク」と同様である。

　比較的頻繁に観測でき、統計では年に10～40回出現するとされている［1］。

　氷晶が22°幻日を作り出す姿勢・パリーアークを作り出す姿勢のときに環天頂アークも現れやすいので、幻日・パリーアークが出現した際は直上を観測すべきである。

　また、多くの現象図では分かりやすさのために46°ハロの上下に環天頂アークと環水平アークを描いているが、2つの現象が(同じ平行光光源で)同時に出現することは物理的にあり得ない。

　環天頂アークと46°ハロは光源高度15-27°のときに接する。ちなみに環天頂アークと上部ラテラルアークは光源高度に関わらず常に接する。そして、環天頂アークと上部ラテラルアークが同時に現れたとき、「2叉に分かれた鮮やかな弧」が天頂近くに現れるという特徴的な景観を作り出す。

●原理

　六角板状氷晶がc軸を垂直に回転しているとき、氷晶の上底面と側面とで形成される90°プリズムに光が通ることで生まれる。

　氷で出来た90°プリズムを光が通過すると約46°曲がる光が多い（「最小偏角が46°」という）ため光源から46°近く上に現れるとざっくり考えて良い。

Q.　どうして出現位置が必ずしも視角46°じゃないの？

A.　光源の高さが光路に影響を与えるから

　説明を簡略化するため光路を”現象の真ん中”の部分に限るとします。

　氷晶の回転方向（プレート配向では水平方向）と光源位置の変動方向（鉛直方向）が一致しないため、光源位置の変動は直接的に「光がプリズムへ入射する方向」の変化となり、それに伴って屈折・射出角が変化＝出現位置が変化します。そのため最小離角が46°となるだけで、出現位置が46°に固定されるわけではありません。

　一方で氷晶の回転方向と光源位置の変動方向が一致している場合、光源と氷晶の相対的な位置関係は変化しない＝「光がプリズムへ入射する方向」は変化しないため、出現位置が変化しません。

　一致している例としてはランダム配向の現象とカラム配向の60°プリズムの現象等で、22°ハロや46°ハロ、タンジェントアーク等であり、どれも光源位置が変化しても出現位置が変化しません。ただしタンジェントアーク真ん中の部分以外は、氷晶の鉛直軸回転が関与するため「光源位置の変動」に影響され、出現位置が変化＝形状変化してしまいます。

　また、可視光の内で赤色の光の最小偏角が最小・紫色の光が最大であることから環天頂アークは内側が赤色・外側が紫と見えるのである。

　幻日・タンジェントアーク・22°ハロ・46°ハロといった現象はプリズムが分光を起こす方向と氷晶の回転方向が一致するため、分光した光が混じりあってしまい彩度が弱い見た目（最小偏角部分が赤色に色づくだけで他の部分は白っぽい）となる。一方で環天頂アークや環水平アークの場合、プリズムが分光を起こす方向と氷晶の回転方向が一致しないため非常に鮮やかとなるのである。（同じことがラテラルアークやパリーアーク、パリーラテラルアーク等にも言える。これらの現象の分光方向と氷晶回転方向を是非考えてみてほしい。）

●変形・出現光源高度