하늘이 파란 이유 분홍색 하늘 이유, 레일리 산란 미 산란

하늘이 파란 이유 분홍색 하늘 이유, 산란

 

지구의 하늘이 파랗게 보이는 이유는 무엇일까요? 이 질문에 대한 답은 과학적 현상인 레일리 산란(Rayleigh Scattering)에 있습니다. 레일리 산란은 빛의 파장과 입자 간의 상호작용을 설명하는 중요한 개념인데요. 레일리 산란이 어떻게 하늘의 색깔을 결정하는지, 그리고 일출과 일몰 때 하늘의 색 변화에 대해 알아봅시다.

태양빛은 대기 중의 미세 입자와 만나 사방으로 흩어진다. 파란색, 보라색은 파장이 짧아 산란이 더 많이 일어난다.

하늘이 파란 이유

레일리 산란

레일리 산란은 빛과 같은 진행하는 파동이 대기 중의 미세한 입자(물방울보다 더 작은 질소, 산소, 이산화탄소 등)에 부딪혀 모든 방향으로 흩어지는 현상입니다. 빛의 파장이 짧을수록 산란이 더 많이 일어나는데, 보라색 빛이나 파란색 빛은 빨간색 빛보다 파장이 짧습니다. 태양빛이 대기를 통과할 때 파장이 짧은 파란색 빛이 더 많이 산란되어 우리 눈에 도달하게 됩니다. 따라서 파란빛이 빨간빛보다 훨씬 많이 산란되기 때문에 하늘이 파랗다고 말할 수 있고, 우리의 눈도 보라색보다 파란색을 더 민감하게 인식하기 때문에 하늘이 파란색으로 보입니다.

 

2024.06.24 - [과학 정보 정리] - 우리 눈이 보라색 빛보다 파란색 빛을 더 잘 인식하는 이유

우리 눈이 보라색 빛보다 파란색 빛을 더 잘 인식하는 이유

 

레일리 산란의 정도는 입자의 크기와 빛의 파장에 따라 달라지는데, 이는 수학적으로 파장의 역수에 비례 (∝ 1/λ4) 로 설명됩니다.

태양이 대기를 통과하는 길이는 일몰 때 더 길다

하늘이 붉은 이유, 붉은색 하늘 이유

빛이 대기를 통과하는 거리에 따라 하늘의 색깔은 시간대와 관찰 위치에 따라 다르게 보입니다. 정오쯤 태양이 하늘 높이 있을 때, 태양빛은 대기를 비교적 짧은 거리를 통과하게 되어 대부분이 파란색으로 보입니다. 그러나 해질 무렵이나 해돋이 때는 태양 빛이 더 먼 거리를 통과하면서 푸른빛은 먼저 산란 되어 사라지고, 파장이 긴 빨간색과 주황빛이 오래 남아서 우리 눈에 도달합니다. 그래서 일출과 일몰 때는 하늘이 붉게 물들게 되는 것입니다.

 

하늘이 회색인 이유, 회색 하늘 이유

미 산란

대기의 상태도 하늘의 색깔에 영향을 미칩니다. 대기 중에 미세먼지가 많거나 흐린 날 수증기 입자가 많을 경우, 산란을 일으키기엔 너무 큰 입자들이 존재하게 됩니다. 이때는 미 산란(Mie Scattering)이 더 우세하게 되는데, 미 산란은 대기 중의 입자 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 클 때 발생합니다. 빛의 모든 파장을 비슷한 정도로 산란시키기 때문에 태양빛이 대기를 통과하면서 여러 파장이 혼합되어, 하늘이 회색이나 흰색을 띠는 등 뿌옇게 보이게 됩니다. 도시처럼 공기가 오염된 지역이나 습도가 높은 날씨에 두드러집니다.

 

하늘이 분홍색인 이유, 분홍색 하늘 이유

미세먼지나 대기 중 중금속은 미 산란을 일으킵니다. 모든 파장의 빛을 거의 균등하게 산란시키지만 파장이 긴 빨간빛과 주황빛이 상대적으로 더 많이 남게 됩니다. 특히 태양이 낮을 때(일출, 일몰) 더 두드러지게 나타나며, 낮 동안에도 대기의 미세먼지 농도가 높으면 하늘이 탁한 분홍빛을 띌 수 있습니다.

 

세레니티 로즈쿼츠 하늘

세레니티 로즈쿼츠 색 하늘

하늘이 분홍색을 띄면서 부드러운 푸른색이 섞인 ‘로즈쿼츠 세레니티’ 색으로 보이는 경우는 레일리 산란과 미 산란이 모두 영향을 미친 경우입니다. 해질 무렵과 해뜰 무렵에는 태양빛이 대기를 길게 통과하면서 파란색과 녹색 빛이 더 많이 산란되고 빨간색과 주황색, 분홍색과 같은 긴 파장의 빛이 남아 우리 눈에 도달합니다. 구름의 형태와 두께, 일출이나 일몰 시 태양의 각도, 대기의 수분 함량 등이 영향을 미칠 수 있고, 대기 중의 수증기나 얼음 결정들이 빛을 산란시켜 부드러운 푸른빛이나 분홍빛을 만들어낼 수 있습니다.

 

그러나 이 색상은 대기 중에 미세먼지가 많거나, 대기 오염이 심한 경우에 더 두드러질 수 있는데, 질소 산화물(NOx)이나 황 산화물(SOx)과 같은 오염 물질이 대기 중에 존재할 경우, 복합적인 산란과 흡수 현상이 발생하여 붉은색, 주황색, 분홍색 등이 혼합되어 나타날 수 있고, 납, 카드뮴, 수은 같은 중금속이 고농도로 존재할 경우에도 특정 색을 더 강조할 수 있습니다. 이때 미 산란으로 뿌옇게 색조가 흐려진 하늘색과 분홍색이 섞여서 아름다운 색이 관측될 수 있는 것입니다.

 

 

 

세레니티 로즈쿼츠 색 하늘은 대기 조건들이 복합적으로 작용한 결과입니다. 그러니 반드시 미세먼지나 중금속이 많은 날씨라고 단정할 수는 없지만, 만약 평소보다 하늘이 더 분홍빛을 띠거나 부드러운 푸른빛을 보인다면, 대기 오염이 원인일 수도 있으니 미세먼지나 중금속 농도를 확인하는 것이 좋습니다.

 

정리

하늘의 색은 레일리 산란과 미 산란이라는 물리적 현상에 의해 결정되며, 빛의 파장과 대기 중 입자의 크기에 따라 달라집니다. 낮 동안의 파란 하늘과 일출, 일몰 시의 붉은 하늘은 모두 이 산란 현상의 결과입니다. 또, 대기의 상태와 오염 정도도 하늘의 색깔에 큰 영향을 미칩니다. 이런 과학적 이해는 우리가 일상에서 당연하게 여기는 자연 현상에 대한 깊은 인식을 제공합니다. 레일리 산란과 미 산란은 단순한 과학적 사실을 넘어, 우리가 하늘을 바라볼 때 느끼는 경이로움과 아름다움의 배경이 되는 중요한 개념입니다.