같은 햇빛인데 낮에는 파랗고 저녁에는 붉습니다. 공기가 색마다 빛을 다르게 흩는 방식과 구름이 흰 이유를 정리했습니다.
햇빛은 하얗게 보이지만 파장이 다른 여러 빛이 섞인 것입니다. 사람이 볼 수 있는 빛은 파장이 대략 380에서 750나노미터 사이이고, 짧은 쪽이 보라와 파랑, 긴 쪽이 주황과 빨강입니다. 프리즘에 햇빛을 통과시키면 이 색들이 띠처럼 펼쳐지는 것으로 확인할 수 있습니다. 하늘색과 노을을 이해하려면 이 빛들이 공기 속을 지나며 각각 어떤 일을 겪는지를 보면 됩니다. 결론부터 말하면, 공기는 모든 색을 똑같이 통과시키지 않고 짧은 파장을 더 많이 옆으로 흩어 버립니다.
공기를 이루는 질소와 산소 분자는 빛의 파장보다 훨씬 작습니다. 이렇게 작은 입자에 빛이 부딪혀 사방으로 흩어지는 현상을 레일리 산란이라고 부르는데, 흩어지는 정도는 파장의 네제곱에 반비례합니다. 파장이 절반이면 열여섯 배 더 흩어진다는 뜻입니다. 파장 450나노미터인 파란빛과 700나노미터인 빨간빛을 비교하면 파란빛이 약 6배 더 흩어집니다. 그래서 해가 떠 있는 낮에는 하늘 어느 방향을 보든 공기 분자가 흩어 보낸 파란빛이 눈에 들어오고, 하늘 전체가 파랗게 보입니다.
파장만 따지면 보라색이 가장 많이 흩어지니 하늘이 보라색이어야 할 것 같습니다. 그렇지 않은 이유는 몇 가지가 겹치기 때문입니다. 먼저 햇빛 자체에 보라색 빛이 파란빛보다 적게 들어 있습니다. 다음으로 사람 눈은 보라색보다 파란색과 초록색에 훨씬 민감합니다. 흩어진 빛은 사실 보라부터 초록까지 여러 색이 섞인 것인데, 눈과 뇌가 이것을 합쳐 받아들인 결과가 우리가 아는 하늘색입니다. 하늘색이 순수한 파랑보다 옅고 밝은 것도 이 때문입니다.
해가 지평선 가까이 내려오면 햇빛은 머리 위에서 올 때보다 훨씬 두꺼운 공기층을 비스듬히 지나야 합니다. 지평선 근처에서는 그 길이가 한낮보다 수십 배 길어집니다. 긴 길을 오는 동안 파란빛은 거의 다 옆으로 흩어져 빠져나가고, 잘 흩어지지 않는 주황과 빨강이 주로 남아 우리 눈에 도착합니다. 해 자체가 붉게 보이고 그 주변 하늘과 구름 밑면이 붉게 물드는 것이 이 때문입니다. 같은 이유로 해 뜰 무렵의 하늘도 붉게 보이며, 낮게 뜬 보름달이 누렇게 보이는 것도 같은 원리입니다.
구름을 이루는 물방울은 공기 분자보다 훨씬 커서 빛의 파장과 비슷하거나 그보다 큽니다. 이런 큰 입자는 파장에 상관없이 모든 색을 비슷하게 흩어 버리므로, 섞인 빛이 그대로 하얗게 보입니다. 비구름이 회색이나 검게 보이는 것은 색이 바뀐 것이 아니라 구름이 두꺼워 빛이 위에서 대부분 흩어지거나 흡수되고 아래까지 적게 도달하기 때문입니다. 습도가 높거나 미세한 먼지가 많은 날 하늘이 뿌옇고 희끄무레한 것도 큰 입자가 모든 색을 고르게 흩어 파란색이 묽어지기 때문입니다.
같은 맑은 날이라도 하늘색은 조금씩 다릅니다. 공기가 건조하고 깨끗한 날, 특히 비가 그친 뒤에는 큰 입자가 씻겨 나가 진한 파랑이 보입니다. 머리 위 하늘이 가장 진하고 지평선 쪽으로 갈수록 옅어지는 것은, 지평선 방향으로는 공기층을 길게 보게 되어 여러 번 흩어진 빛이 섞이기 때문입니다. 산불 연기나 화산재처럼 공기 중에 입자가 크게 늘면 노을의 색과 밝기가 평소와 달라지기도 합니다. 노을이 유난히 붉다고 해서 반드시 공기가 나쁘다는 뜻은 아니고, 구름의 높이와 위치도 색에 큰 영향을 줍니다.
하늘색에 관한 설명 중에는 오래 퍼져 있지만 틀린 것이 많습니다. 바다가 하늘을 비춘다는 설명은 앞뒤가 바뀐 것입니다. 바다가 파랗게 보이는 데는 하늘을 반사하는 효과와 물 자체가 붉은빛을 흡수하는 성질이 함께 작용합니다. 바다가 없는 내륙에서도 하늘은 똑같이 파랗습니다.
투명한 컵에 물을 담고 우유를 몇 방울 떨어뜨린 뒤 옆에서 손전등을 비추면 원리를 눈으로 볼 수 있습니다. 옆에서 보면 물이 푸르스름하고, 반대편에서 손전등 쪽을 보면 빛이 주황빛으로 보입니다. 우유 입자가 공기 분자 역할을 하는 셈입니다. 다만 노을을 볼 때 해를 맨눈으로 오래 보거나 쌍안경, 망원경, 카메라 뷰파인더로 해를 직접 보는 것은 해가 낮게 떠 있어도 눈을 다치게 할 수 있으니 하지 않습니다. 눈부심이나 잔상이 오래 남으면 안과 진료를 받으세요.
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