하늘이 파란 이유와 노을이 붉은 이유, 햇빛의 산란

시작하기에 앞서

우리는 맑은 하늘을 상상하면, 흔히 파란 하늘을 떠올리곤 합니다. 비가 오거나 흐린 날이 아니라면 일반적으로 파란 하늘을 관찰할 수 있죠. 그렇다면 왜 하늘은 파란색일까요? 이를 알기 위해서는 빛이 어떤 색으로 구성되어 있는지, 빛의 산란이 무엇인지를 이해하는 것이 필요합니다.

태양 빛 스펙트럼

보통 태양 빛 하면 우리는 흔히 빨간색을 떠올립니다. 태양이 타오르는 듯한 색이 빨간색이기 때문이죠. 하지만, 태양 빛은 우리가 아는 모든 색이 혼합되어 있습니다.

 

가시광선의 스펙트럼(spectrum)

가장 낮은 파장을 가지는 보라색 영역부터 높은 파장을 가지는 빨간색까지, 우리가 흔히 아는 모든 색의 영역을 가지고 있습니다. 우리는 이를 가시광선(Visible light)이라고 부릅니다. 가능할 가, 볼 시. 볼 수 있는 광선을 의미합니다. 물론, 보라색 빛보다 짧은 파장을 가진 자외선과 붉은색 빛보다 긴 파장을 가진 적외선 또한 포함하고 있습니다. 그렇다면 우리 눈에는 왜 이 많은 색의 햇빛이 아니라, 파란색의 하늘만을 볼 수 있는 것일까요? 그 이유를 알기 위해서는 빛의 산란에 대해서 이해해야 합니다.

빛의 산란

빛의 산란(Scattering)이란 빛이 공기 중의 각종 먼지, 수증기, 산소 혹은 특정 물체 등의 입자와 부딪힐 때 사방으로 재방출되는 현상을 의미합니다. 쉽게 말하자면, 빛이 직진하다가 공기 입자 혹은 물체와 부딪혀 다른 방향으로 퍼져나간다는 의미입니다. 앞서서 우리는 태양빛이 보라색부터 빨간색까지의 다양한 색으로 구성되어 있음을 배웠습니다. 영국의 물리학자 존 윌리엄 레일리(John William Rayleigh)는 빛이 산란될 때, 여러 색 중에서도 짧은 파장의 빛이 더 많이 산란됨을 밝혀냈습니다. 짧은 파장의 빛은 보라색, 파란색을 의미합니다. 다양한 햇빛의 색들 중에서도 보라색과 파란색이 유독 많이 산란된다는 의미입니다. 

하늘이 파랗게 보이는 이유

결론적으로, 우리 눈에 왜 하늘이 파랗게 보이는지, 햇빛이 지구까지 도달하는 과정을 통해 알아보겠습니다.

1억 5천만 km 떨어진 태양으로부터 햇빛이 지구까지 도착합니다. 하지만, 햇빛은 지구의 대기를 온전히 통과하지 못하고 대기 중의 질소, 산소와 같은 기체 분자와 부딪혀 산란되게 됩니다. 우리가 태양을 직접 바라보지 않는 이상, 직사광선이 눈에 들어오는 것이 아니라 대기 중에서 산란된 빛의 일부가 눈으로 들어오게 됩니다. 이때, 주로 산란되어 나오는 빛은 보라색, 파란색과 같은 짧은 파장의 빛입니다. 하지만, 우리의 눈은 상대적으로 보라색보다는 파란색에 민감하기 때문에 하늘이 파랗게 보이는 것입니다.

가을 하늘이 유독 파랗게 보이는 이유도 같은 이유입니다. 가을에는 대기가 건조하고 깨끗한 편입니다. 햇빛이 이동할 때에 방해할 대기 중의 먼지나 수증기가 적기 때문에 산란이 잘 되는 파란색이 더욱더 잘 보이게 되는 것입니다.

흐린 날은 하늘이 파랗지 않고, 새벽 혹은 해 질 녘 하늘이 붉은 이유

그렇다면, 이와 별개로 왜 흐린날에는 파란 하늘을 볼 수 없을까요? 그 이유 또한 빛의 산란에 있습니다. 흐린 날에는 먼지 혹은 수증기가 대기 중에 많이 존재합니다. 보통 이 입자들은 다른 공기들의 입자보다 크기 때문에, 보라색과 파란색 같은 짧은 파장의 빛뿐만 아니라 대부분의 빛도 잘 산란시킵니다. 결론적으로, 파란색 이외의 다른 색들도 산란이 잘 일어나게 되고 다양한 색깔이 무작위로 섞여 뿌연 하늘로 보이게 되는 것입니다.

또한, 새벽 혹은 해가 지기 전 하늘이 붉은 이유는 해와 지구 사이의 거리가 멀어지기 때문입니다. 지구의 자전으로 인해 태양과 지구 사이의 거리가 멀어지게 되면, 해가 뜨거나 지게 됩니다. 이때, 태양 빛이 지구에 도착하며 대기 중에서 산란이 일어나는데, 파장이 짧은 파란색 빛은 태양에서 지구까지의 거리가 멀어짐으로써 도달하기 힘들어지게 됩니다. 대신, 상대적으로 더 적게 산란되는 붉은빛은 긴 파장을 가지고 있기 때문에 지면에 도달하게 되고 결론적으로 우리는 붉은빛을 관측할 수 있게 되는 겁니다.