낮동안 푸르게 환한 빛을 내던 하늘은 시간이 흐르면 차츰 붉은색으로 변화합니다. 붉게 변하는 하늘은 아주 이른 여명이나 해가 지는 저녁에만 만나는 신비로운 색이자 아름다운 풍경이죠. 그런데 노을은 왜 붉은색일까요? 문득 궁금해집니다.
1. 우리가 보는 하늘의 색은 빛의 산란에 따른 결과물이다.
우리가 무엇인가를 볼 수 있도록 하는 '빛'은 사실 다양한 색으로 구성되어있습니다. 붉은색부터 시작해 보라색에 이르는 빛의 스펙트럼은 그 빛을 구성하는 다양한 색들을 시각적으로 보여주는 하나의 방법이고, 빛은 스펙트럼이 보여주는 그 많은 빛들이 모여있는 집합체이죠.
빛들은 색에 따라 각각 다른 파장을 가지고 있습니다. 구분하기 쉽게 우리에게 익숙한 무지개의 일곱 색을 예로 들어 설명하자면, 파장이 짧은 색은 파, 남, 보에 해당하는 색, 그리고 파장이 긴 색은, 빨간색이나 주황색등입니다. 빛이 지구를 통과하기 위해서는 우리 지구를 둘러싸고 있는 대기를 통과해야만 합니다. 그런데 지구의 대기에는 생각보다 다양한 성분들이 포함되어 있죠. 대표적으로 우리가 숨을 쉬는데 필요한 산소, 이산화탄소 이외에도 질소, 그 외의 먼지나 미세한 이름을 알 수 없는 입자들까지 그 종류는 셀 수 없이 많습니다. 이 입자들이 빛이 지구를 통과하는 동안 빛을 구성하는 파장을 산란시키는 역할을 하게 됩니다. 이렇게 산란되는 빛이 어떤 파장의 빛이었는가에 따라 우리가 볼 수 있는 하늘의 색이 달라지게 되는 것입니다.
2. 해가 떠 있는 동안은 파란색, 해가 지는 동안은 붉은 색
그럼 왜 해가 떠 있는 낮과 해가 지거나 뜨는 저녁과 새벽의 하늘은 색이 다른 걸까요? 해가 뜨거나 해가 지는 시간 동안 지구를 향해 내리쬐어지는 빛의 각도가 달라지기 때문입니다. 각도가 달라지면 빛이 대기를 뚫고 지나가야 하는 위치도 자연스럽게 달라지는데 지평선에 가까울수록 대기가 더 두꺼운 부분들을 통과해야 합니다. 대기는 여러 개의 층으로 구성되어 있고, 대기의 밀도는 아래쪽이 가장 두꺼우며 위로 올라갈수록 얇아집니다. 태양이 지평선에 가까우면 가장 아래쪽의 층을 뚫고 지나가야 하기 때문에 하늘 높이 떠 있을 때보다 훨씬 더 두꺼운 층을 지나게 됩니다.
파란색이나 보라색등 파장이 짧은 빛들은 얇은 대기층에도 쉽게 산란이 일어나는 특성을 가지고 있습니다. 때문에 하늘높이 해가 떠 있는 동안에는 하늘이 푸르게 보이게 됩니다. 대신 이 시간 동안은 파장이 긴 붉은계열의 빛은 산란의 영향을 덜 받고 지구를 통과해버립니다. 때문에 이 시간동안 우리가 보는 색은 산란이 일어난 파란색인 것입니다. 반대로 해가 지는 동안 두꺼운 대기를 지나는 동안에는 파란색 빛은 너무 많은 산란이 일어나 우리 눈에까지 도달하지 못하고 사라지는 대신 파장이 긴 붉은색이 우리 눈에 도달하는 비율이 높아집니다. 이것이 노을이 붉게 보이는 이유가 됩니다.
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