대기의 산란현상이 빚은 예술 서울대생과 함께하는 아하! 재밌는 과학<9>하늘은 왜 파란색일까? 김진권(물리교육과 4학년)

2014년 03월 11일(화) 20:44

찬바람 생생부는 겨울이 지나고 봄소식이 들려오고 있다. 그동안 움츠렸던 어깨를 펴고 모처럼 하늘을 올려다 보는 일이 잦아지는 때다. 그렇 때마다, 구름 한 점 없이 깨끗하게 펼쳐져 있는 하늘은 사람들을 괜스레 기분 좋게 만든다. 특히 수수하면서도 화려한 하늘의 색은 보면 볼수록 아름답구나 하는 생각을 절로 들게 만든다.

그런데 종종 ‘하늘은 왜 파란색일까’하는 의문이 들곤 한다. 말장난처럼 들릴 수도 있겠지만, 왜 하늘은 하필 많고 많은 색 중에서 ‘하늘색’에 해당하는 색으로 보이는 것일까?

그것을 알기 위해서는 먼저 지구가 두터운 대기층에 둘러싸여 있다는 것을 알아야 한다. 우리가 소위 하늘을 본다고 하는 것은 사실 지구의 대기층을 보는 것인 셈이다. 그런데 지구의 대기층에 태양에서 온 빛들이 도달하면 산란(散亂)현상을 일으키고 그 결과 하늘색의 빛이 우리의 눈에 들어오게 된다. 즉, 하늘이 하늘색으로 보이는 이유는 대기의 산란 현상 때문이다. 대기가 없는 달에서 본 하늘은 그냥 허전한 무(無)의 공간, 온통 새카만 검은색인 것을 생각해보면 이해가 될 것이다.

그럼 왜 하필 파란색인가? 또 산란현상이란 무엇인가? 먼저 산란 현상이란 대기 입자의 파동 흡수, 재방출 과정을 말한다. 지구 대기의 입자들이 태양에서 온 빛을 흡수하여 진동하는데 이 과정에서 에너지와 빛을 내놓게 되는데 이 현상을 산란이라 부른다.

이때 진동수가 높을수록 산란이 잘되기 때문에 대기에서 산란된 빛에는 진동수가 낮은 빨간색보다 진동수가 높은 파란색 계열의 빛이 훨씬 많이 포함되어 있다. 따라서 지표면에도 파란색 계열의 빛이 훨씬 많이 도달하게 되고 따라서 우리는 빨간색보다 파란색의 하늘을 보게 된다. 다만 우리 눈은 보라색 대역의 파장을 잘 인식하지 못하기 때문에 하늘색으로 인지하게 되는 것이다.

그렇다면 다시 드는 의문이 있다. 해가 질 때 지는 저녁 노을은 왜 빨간색일까? 그것은 해가 질 때 태양의 위치를 생각해보면 된다. 해가 질 때의 태양은 지표면에서 봤을 때 거의 누워있다(고도가 낮다). 따라서 지표면에 도달하는 태양 빛은 낮일 때 보다 깊은 대기층을 뚫고 와야 하는데 그 과정에서 산란이 잘되는 진동수가 높은 빛들은 모두 산란되어 버리고 지표면에는 산란이 잘 안 되는 빨간색이 지배적으로 도달하게 되는 것이다./김진권(물리교육과 4학년)