하늘은 왜 파란색일까?

사진1. 가슴이 탁트이는 파란하늘. 그런데 하늘은 왜 하필 파란색일까?

 

왜 하필 파란색이지?

가을이 왔는데 올해 10월은 유난히 추워서 10월 초 설악산에는 벌써 눈이 내리고 서리가 내려앉았다. 그래도 맑게 개인 파란 하늘을 보고있자면 가슴이 탁 트이고 기분이 좋아진다. 그런데 왜 하늘은 하필 파란색인걸까? 얼핏 배운것 같은데 잊어버려서 다시 찾아보았다.

 

 

사진2. 우리는 눈으로 세상을 본다.

 

역방향으로 생각해 보자

파란색을 보고 느끼는 주체는 오로지 우리 자신이다. 정확히는 우리의 뇌. 우리의 뇌는 눈을 통해 그 정보를 받아들인다. 따라서 무엇이 되었건 최종적으로 우리의 눈에 있는 광수용 세포를 파란색 가시광선이 때렸기 때문에 우리는 파란색을 느낀것이다. 하늘에서 파란색 가시광선이 모든방향에서 내려오고 있으므로 우리는 하늘을 파랗게 볼 수 있다. 그러면 이제 그 다음단계는 그 파란색 가시광선이 어디서 오느냐이다.

 

하늘은 스스로 빛을 내지 않는다

세상의 물체를 구분하는 방법에는 여러가지 있는데 지금의 문제을 풀기 위해서는 두 가지로 나눌 수 있다. 스스로 빛을 내는 물체와 그렇지 않은 물체. '하늘이 물체냐?' 라고 발끈할 수 있지만 사실 하늘은 물질로 채워져 있다. 질소, 산소, 수증기  등의 물질로 지구의 대기는 채워져 있다. 그리고 밤이되면 깜깜해진다. 즉, 하늘은 스스로 빛을 내지 않는 물체이다. 밤이 아닌 낮, 태양이 떠있을때 하늘은 파래진다. 하늘은 태양의 빛을 반사하는 물체 중에 하나인것이다.

 

 

사진3. 파란 하늘과 광원인 태양.

 

태양은 파란색이 아닌데 왜 하늘은 파란색?

불끈 방안에서 모니터에 블루스크린이 뜬다면 온 방안이 새파랄 것이다. (물론 내 얼굴은 파랗다 못해 사색이 되겠지...) 하지만 대낮에 밖은 온갖 색으로 다양하다. 그 말은 각각의 물체들이 본유의 특성에 따라 특정적인 가시광선을 반사시키고 있다는 이야기이다. 태양에서는 모든 영역의 가시광선 뿐만아니라 우리가 눈으로 보지못하는 짧고 긴 파장들이 다 쏘아져 오기 때문에 각각의 사물들은 다양한 색을 띨 수 있다(심지어 어떤 꽃들은 자외선을 반사하여 꽃가루 전달자들이 볼 수 있게 하기도 한다). 지구로 들어오기 전에 빛은 흰색이고, 하늘의 대기가 파란색을 반사시키고, 그 반사된 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문에 파랗게 보인다는 것까지 생각을 좁힐 수 있다. 그렇다면 이제 질문은 대기가 왜 백색광을 파란색으로 만드는지 로 좁혀진다. 

 

빛의 성질 중 하나. 산란!

태양 빛이 공기 중의 질소, 산소, 먼지 등과 같은 작은 입자들과 부딪칠 때 빛이 사방으로 재방출되는 현상을 빛의 산란이라고 한다.

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입자에 빛을 쪼이면 입사광과 같은 진동수를 가진 산란광이 생긴다. 빛의 파장보다 훨씬 작은 입자에 의한 산란을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라고 하며, 이 때 산란광의 세기는 파장의 네제곱에 반비례한다. 레일리 산란의 예로는 맑게 갠 날 하늘이 푸르게 보이고, 해뜨기 전 동쪽 하늘이나 해진 후의 서쪽 하늘이 붉게 보이는 현상 등이 있다.
반면에 빛의 파장과 비슷한 크기의 입자에 의한 산란을 미 산란(Mie scattering)이라고 하며, 이 때 산란광의 세기는 파장에 반비례한다. 즉 미 산란광의 세기는 레일리 산란에 비해 상대적으로 파장에 덜 의존적인 것이다. 미 산란의 예로는 먼지가 많은 날에는 하늘이 뿌옇게 보이고, 뭉게 구름이 하얗게 보이는 현상 등이 있다.

[네이버 지식백과] 빛의 산란 (두산백과 두피디아, 두산백과)

하늘에 채워져 있는 물질 중에 질소와 산소가 대부분을 차지한다. 이 분자들의 크기는 가시광선의 파장보다 훨씬 작다(가시광선 파장은 400nm ~ 700nm. 파장이 짧을 수록 강한에너지를 가진 파란, 보라 빛을 띤다). 태양에서부터 지구를 향해 직진만 해오던 광자들이 대기의 분자들과 부딪히며 레일리 산란이 발생한다. 이때 짧은 파장의 빛일 수록 산란 광의 세기가 더 강해지기 때문에 파장이 짧은 파란색이 강하게 산란되어 파란 가을 하늘을 볼 수 있는 것이다. 참고로 대기가 없어 산란이 일어나지 않는 달에서는 우주가 그대로 보여지기 때문에 하늘이 한밤처럼 어둡고 태양만 밝게 빛난다(이때 맞게되는 태양광은 자외선 적외선 골고루 다양하게 때려맞을 것이다.)

 

 

사진4. 석양과 붉은 하늘

 

아닌데? 노을은 빨간데?

그렇다면 해질녘 하늘과 태양이 떠오르는 붉은 하늘은 어떻게 설명될 수 있을까? 한낮에는 태양빛이 대기를 통과하는 구간이 상대적으로 짧다. 빛이 산란된다는 말은 한방향으로 오던 빛이 여러갈래로 퍼져나간다는 뜻인데 가시광선 중 가장 짧은 파장을 가진 보라색이 가장 먼저 산란이 되어 흩어지고 대기를 통과해 오면서 남색, 파란색 순서로 짧은 파장들이 산란된다(차례차례 일어나는게 아니라 산란광의 세기가 파장이 짧을 수록 높기때문에 이런 현상이 발생한다). 산란된 빛들은 초기에 직진해오던 빛보다 약해지기 때문에 통과하는 대기가 많을수록 산란도 많아지고 빛도 약해진다. 일출과 일몰때 태양빛은 그 빛을 바라보는 우리들에게 비스듬히 들어오고 자연스럽게 통과하는 대기도 훨씬 두꺼워지게 된다. 이때 더 깊은 대기를 통과한 빛들 중 파장이 길어 산란광의 세기가 상대적으로 약했던 긴 파장들이 보이게 된다. 붉은색, 주황색, 노란색의 빛들이 하늘을 채워 멋진 해돋이와 노을을 우리에게 선사하는 것이다.

 

 

 

기상청에서 소개하는 날씨공부 영상을 참고해도 좋을 듯 하다.