맑은 날 쨍쨍한 오후, 문을 열고 나가기만 해도 보이는 푸르른 하늘은 오랫동안 인간에게 아름다움과 경외감을 안겨 주었으며, 오랜 시간동안 사람들의 궁금증을 유발시킨 문제이기도 합니다. 인간이 사유한 이래부터 파란 하늘에 대한 많은 추측이 있었는데요, 이제는 물리를 통해 왜 하늘이 파란색인지 알 수 있습니다. 그런데, 하늘이 푸르다는 것을 우리가 너무 당연하게 받아들여서일까요? 푸른 하늘 때문에 나타나는, 일상 속에서 찾을 수 있는 수많은 푸른 흔적들을 우리는 눈치채지 못하고 살아갑니다. 지금부터 하늘이 왜 푸른가와 더불어, 일상에서 찾을 수 있는 푸른 세상의 흔적을 찾아가보자 합니다.
레일리 산란-푸른 하늘 이야기
결론부터 말하자면, 하늘이 푸르게 보이는 이유는 '레일리 산란' 때문입니다. 산란이란 파동이나 입자선이 미립자, 입자 등과 충돌하여 운동 방향을 바꾸고 흩어지는 일을 가리킵니다. 하늘이 푸른 것도 공기중에서 푸른 빛이 산란되기 때문입니다.
푸른 하늘에 대한 과학적 해석은 레오나르도 다빈치와 뉴턴이 시작했지만, 푸른 하늘을 밝히려는 구체적인 실험이 처음 행하고, 레일리 산란을 규명하는 데 최초로 기여한 사람은 존 틴들 (John Tyndall, 1820 ~ 1893) 이었습니다.
존 틴들은 1868년 부탄질산염+염산 혼합물에 강한 빛을 쬐일 때, 화학 작용에 의해 구름이 나타나고, 이 구름에서 푸른 빛이 나오는 현상을 관찰했습니다. 그리고 이 현상이 기존에 알려져 있던 광학적 현상인 빛의 반사, 굴절로는 설명되지 않는다는 것을 밝혀냅니다. 실제로 산란에 의한 것이었고요. 결국 틴들이 최초로 분명한 형태로 하늘이 푸른 현상을 실험실 상에서 재현하는 데 성공했고, 이 같이 대기중 입자에 의해 빛이 산란되는 현상을 '틴들 효과'라고 부르게 됩니다.
틴들의 실험이 발표된 이후, 1871년 영국의 존 윌리엄 스트럿, 즉 제 3대 레일리 경(John William Strutt, from 1881 the third Lord Rayleigh, 1843-1919) 에 의해 이론적인 설명이 제안되었습니다.
존 스트럿은 빛의 산란의 세기가 빛의 파장의 4제곱에 반비례한다는 것을 수학적으로 증명해 하늘이 푸른 이유를 성공적으로 설명했습니다. 산란되는 빛의 세기가 파장의 4제곱에 반비례하기 때문에, 파장이 짧은 푸른빛이 대기중에서 훨씬 많이 산란된다는 것이었습니다. 이후, 1881년 레일리는 전자기학을 수용하고, 초기에 자신이 고체 탄성 이론에 의해 전개한 내용을 맥스웰의 전자기학으로 대체해 설명했습니다.
초기 레일리의 설명에 따르면 하늘이 푸른 이유는 작은 먼지와 같은 불순물이 대기중에 존재하기 때문입니다. 그렇다면 불순물이 없는 하늘은 파랗지 않은 것일까요? 이에 대해 레일리는 1899년, 불순물이 없어도 대기 분자에 의한 산란으로 푸른 하늘이 나타난다고 주장했습니다. 후에 이 이론은 사실로 밝혀졌고, 하늘이 푸른 이유는 레일리 산란 이론으로 설명하게 되었습니다.
레일리 산란은 빛이 그 파장보다 매우 크게(100배 정도) 작은 입자와 부딪힐 때 일어나는 산란을 의미합니다. 맥스웰 전자기학 이론에 따라, 전자기파를 받은 원자나 분자는 빛을 흡수하거나 전자기파와 같은 주파수로 진동하는 쌍극자가 됩니다. 이 경우에는, 진동하는 쌍극자가 되어 그 주파수와 같은 빛, 즉 부딪힌 빛과 같은 주파수(색깔)의 빛을 내놓는데, 이 세기의 식에 따라 푸른빛이 가장 많이 사방으로 흩어지게 되고, 푸른 하늘을 만든다. 노을이 붉은 이유도, 레일리 산란에 의해 푸른빛의 에너지를 많이 잃은 빛이 우리 눈으로 들어오기 때문입니다.
푸른 산 이야기
굳이 레일리 산란까지 생각하지 않아도, 하늘이 푸르다는 것만큼은 모두가 아는 사실입니다. 하지만, 저는 무심코 창밖을 보던 중 신기한 현상을 관찰했는데요, 바로 푸른 것은 하늘 뿐만이 아니라는 사실입니다.
기차 등을 탄다면, 창 밖에 보이는 먼 산은 마치 하늘처럼 푸르게 보이고, 멀리 있을수록 더 푸르게 보이는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이 또한 레일리 산란으로 설명할 수 있는데요, 태양빛에 의해 낮 시간동안 대기중 기체 입자들은 푸른 빛을 내게 됩니다. 때문에, 하늘의 공기 입자들이 내는 푸른빛이 겹쳐 하늘이 푸르게 보이는 것처럼, 산과 우리의 눈 사이에 있는 수많은 입자들도 푸른 빛을 사방을 내기 때문에 멀리 있는 산일수록 마치 안개기 낀 듯 푸르게 보입니다.
때문에 낮 시간은 사실 매우 옅은 푸른 안개가 낀 것과도 같은 상황이라고 생각할 수 있습니다. 그리고, 이 덕분에 우리는 '공기' 또한 푸른 색이라고 생각할 수 있습니다.
푸른 그림자 이야기
태양빛에 의해, 맑은 하늘 아래의 공기 분자는 푸른 빛을 내게 된다. 이와 관련되어 우리가 늘 볼 수 있지만, 거의 모두가 눈치채지 못하는 사실이 또 있습니다.
바로 맑은 날, 그림자도 푸른 색이라는 것인데요, 사실 이 또한 생각해보면 간단합니다. 여러분은 왜 광원이 태양뿐인 환경에서도 그림자가 완전한 검은색이 아니라고 생각하시나요? 빛의 회절 등의 이유를 들 수도 있지만, 가장 중요한 이유는 주변 사물에서 반사하는 빛입니다.
주변에 사물이 있고, 반사광이 있기 때문에 그림자라 할지라도 완전한 어둠이 아닌 것입니다. 그리고 이것은, 우리 눈에는 전혀 광원처럼 보이지 않는 하늘이 온 땅을 파랗게 물들였다고 말할 수 있는 이유입니다.
낮 시간동안, 태양과 가깝지 않은 하늘은 은은한 푸른빛을 냅니다. 태양빛이 미치는 영역에서는, 이 빛이 너무 약하기 때문에 눈치채지못하지만, 그림자, 그 중에서도 색채가 없는 눈밭 위에 그림자에는 하늘빛이 고스란히 투영되어 푸른빛을 내게 됩니다.
푸른 세상 이야기
지금까지 하늘이 푸른 이유, 그리고 사람들이 잘 눈치채지 못하지만 세상이 전부 푸른빛으로 물들어 있는 이유를 말해보았습니다. 여러분들은 산, 그리고 그림자가 푸른 색이라는 것을 알고 있었나요? 여러분도 삶 속에서 자신만의 신기하고 아름다운 것을 발견할 수 있으면 좋겠습니다.
필요한 피직스 2019 봄호
작성자: 18-022 김수빈
분야: 광학
참고문헌:
[1] 한국물리학회>물리정보>물리학의 선구자>1. 레일리와 푸른 하늘
[2] 네이버캐스트>빛과 색
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3567619&cid=58949&categoryId=58983
이미지:
[7] https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3567619&cid=58949&categoryId=58983
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