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과학

하늘은 왜 파란색으로 보이며, 노을은 왜 붉은색으로 보일까?


오늘은 왜 하늘이 파란지 덤으로 왜 노을은 붉게 보이는지에 대해 알아본다. 일단 기본적으로 하늘이 파란 이유는 지구에 대기가 존재하기 때문이다. 그래서 달처럼 대기가 없는 곳에서는 낮에도 하늘이 파랗지 않다고 한다.


하늘은 왜 파란색으로 보이며, 노을은 왜 붉은색으로 보일까?


1. 하늘은 왜 파랗게 보일까?

하늘은 왜 파랄까? 그러기 위해서는 우선 우리가 보는 빛의 색깔들의 파장에 대해서 알아야 한다. 무지개 색깔이 빨주노초파남보순으로 내려가는 것은 다들 잘 알고 있다. 빛의 파장도 이 순서대로 짧아진다.

600-650nm 빨간 파장이 많이 들어오면 빨갛게 보이게된다. 여기서 눈치 챘겠지만 가시광선 영역대는 공통적으로 수백나노미터정도의 파장영역대를 가진다. 그런데 공기의 70프로 이상을 차지하는 질소분자나 20프로 정도인 산소분자의 분자 하나의 크기는 어느정도일까? 대략 200-300피코미터 정도로 1nm도 채 되지 않음을 알 수 있다.



이렇게 작은 분자들 사이로 그보다 수백배 이상의 파장을 가진 가시광선이 투과할 때 일어나는 산란의 종류는 Rayleigh scattering이라고 한다. 맥스웰 방정식. 바로 이 맥스웰방정식을 이용해서 이런 경우 산란이 어떻게 일어나는지 계산할 수 있다.


분자의 모양이 복잡하면 컴퓨터로 계산하면 되고 구처럼 간단한 모양이면 수식전개가 가능하다. 아무튼 분자의 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때 공통적으로 나타나는 현상은 산란의 크기가 아래 수식처럼 빛이 파장(람다)의 4승에 반비례한다는 것이다.



위 식에서 중요한 사실은 파란빛처럼 빛의 파장이 짧을 수록 상대적으로 하늘에서 산란이 훨씬 더 많이 일어 난다. 그러면 아래 그림과 같은 일이 일어 날 수가 있겠다.


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빨주노초파남보 모든 직사광선은 태양에서 지면까지 대기를 거쳐 직접 전달된다. 하지만 그 과정에서 파란 빛은 대기를 거치며 상대적으로 산란이 많이 일어나는 것이다. 이 산란은 직사광선의 방향과 달리 사방으로 일어난다고 한다.


따라서 우리 눈을 기준으로는 태양이 있는 방향을 직접 바라보지 않는 이상 직사광선이 눈에 들어오는 것이 아니라 이 대기중에서 사방으로 산란된 빛의 일부가 눈으로 들어오게 되는 것이다.


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당연히 파란 빛이 산란이 상대적으로 많이 되니 우리 눈엔 하늘이 파랗게 보이겠지? 그러면 반대로 노을은 왜 붉게 보일까? 그것에 대한 해답은 노을의 경우 해가 질 무렾 빛이 지면을 기준으로 비스듬하게 훨씬 더 경로를 지나 우리 눈에 도달함에 있다. 그 외의 원리는 같다.


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노을의 경우에는 눈에 도달하기도 전에 파란빛은 긴 경로를 지나다가 상당부분 산란으로 지표면까지 도달하지 못하고, 반면 상대적으로 긴 파장을 가진 붉은 색깔의 빛은 산란이 적게 일어나니 우리의 눈까지 도달할 수 있는 것이다. 순전히 대기를 통과하는 빛의 경로의 길이에 의한 차이로 볼 수 있는 것으로 볼 수 있다. 즉, 노을의 경우에는 빛이 비스듬히 들어오기 때문에 붉은 색으로 보이는 것이다.