레일리 산란(Rayleigh scattering) 하늘이 파란 이유, 노을이 붉은 이유

해가 위치에 따라 우리는 아름답고 다채로운 색의 하늘을 만나게 됩니다. 그런데 혹시 아시나요? 이렇게 하늘의 색이 해의 위치에 따라 달라지는 현상 또한 과학적으로 설명이 가능합니다. 이 현상이 바로 레일리 산란 (Rayleigh scattering)입니다.

레일리 산란(Rayleigh scattering)이란?

레일리 산란 (Rayleigh scattering)은 빛의 파장이 공기 중의 입자들과 만나 상호작용하는 과정에서 일어나는 현상입니다. 공기 중에 존재하는 주요 성분인 산소나 질소등은 빛의 파장에 비해 크기가 작은 입자들입니다. 이렇게 빛보다 작은 입자를 가진 분자들이 빛과 만나면 빛을 산란시키게 되는데 산란의 순서는 주로 파란색과 녹색에서 주황색이나 빨간색 쪽의 순서로 진행됩니다. 이해하기 쉽게 설명하자면, 빨주노초파남보로 표시되는 빛의 스펙트럼에서 보, 남, 하등의 색은 파장이 짧고, 노, 주, 빨 쪽의 색은 상대적으로 파장이 긴 색들입니다. 빛이 공기 중의 입자들과 만나게 되면 보→남→파→초→노→주→빨의 순서로 산란이 일어나는 것을 레일리 산란이라고 부릅니다.

 

레일리 산란(Rayleigh scattering)이 파란 하늘과 붉은 노을의 이유가 된다고?

그럼 이런 레일리 산란이 왜 우리가 보는 파란 하늘의 원인이 될까요? 이것은 태양과 대기, 그리고 태양빛을 바라보는 관찰자의 위치에 따라 달라집니다.

 

한낮에는 해가 관찰자의 머리위쪽에 떠 있기 때문에 태양빛이 관찰자에게 도달하는 거리가 직선거리가 됩니다. 태양과 관찰자의 각도가 90도에 가까울수록 둘 사이의 거리가 짧아지죠. 이때 빛의 관찰자에게 도달하기까지의 거리는 빛이 공기 중의 입자와 산란을 일으키며 관찰자에게 도달했을 때 파란색이 가장 많이 남아있는 거리입니다. 때문에 관찰자는 이 파란빛이 대기 중에 산란되는 것을 관찰하게 됩니다.

 

하지만 시간이 지나 해가 관찰자와의 각을 벌리게 되면, 그러니까 지평선에 가까워지게 되면 태양빛이 관찰자에게 도달하는 거리는 늘어나게 됩니다. 이때 태양빛은 관찰자에게 도달하기 위해 훨씬 더 먼 거리의 대기를 지나서 도착해야하죠. 때문에 이 과정에서 파장이 짧은 보, 남, 파의 빛은 은 산란의 결과 거의 사라지고 남은 빛들이 산란작용을 하면서 관찰자의 눈에 도달하게 됩니다. 이때 우리 눈에 닿은 빛의 색이 주황이나 빨간색이기 때문에 일출이나 일몰의 색이 붉게 보이는 것입니다.

 

붉은색이 눈까지 도달하는 과정에는 태양과 관찰자의 거리 이외에 대기의 밀도 역시 변수가 될 수 있습니다. 우리 대기는 지표면에서 멀수록 밀도가 낮고 가까울 수록 다양한 물질들이 더 높은 밀도로 모여있습니다. 하지만 이건 평균적인 이야기일뿐 기상과 공기중 입자종류에 의해 우리눈에 도달하는 색은 노란색부터 붉은색까지 미세한 변화가 일어날 수 있습니다.

 

레일리 산란은 하늘이 파랗게 보이는 것 외에도, 별이 빛나는 것, 태양이 붉게 보이는 것, 무지개가 보이는 것 등 다양한 자연 현상과 관련이 있습니다.

2023.05.28 - [분류 전체보기] - 미 산란(Mie scattering), 구름이 하얀이유

미 산란(Mie scattering), 구름이 하얀이유