천고마비(天高馬肥)의 계절 가을. 유달리 높고 파란 하늘 그리고 동동 떠다니는 흰 구름을 보고 있자면 역시 가을은 하늘을 자랑할 만한 계절임을 알 수 있습니다. 무심히 바라보는 하늘의 낭만에는 나름대로 오묘한 과학적 현상들이 많이 담겨있는 것을 알 수 있는데 하늘이 파란 이유와 왜 구름은 하얀색을 띠게 되는지를 알아보도록 하겠습니다.

빛의 반사(Reflection)

태양에서 나오는 빛은 한 매질에서 다른 매질로 향해 전파해 가다가 그 경계면에서 일부 방향을 바꾸어 원래의 매질로 되돌아오는 현상을 반사라고 하며, 반사에는 나름대로 입사된 각과 반사된 각이 똑같은 각도를 가지는 고유한 법칙을 가지고 있습니다(반사의 법칙). 또한 일반적으로 반듯한 면에서 나타나는 반사를 정반사라고 하며 울퉁불퉁한 면에서 나타나는 반사를 난반사¹⁾라고 합니다.

이와 같이 울퉁불퉁한 면에서 나타나는 난반사를 흔히 산란이라 합니다. 바람 없는 잔잔한 호수에 비춰진 산의 모습은 마치 말끔한 평면 거울에 비춰지는 것처럼 정반사를 일으켜 매우 멋진 풍경을 보여줍니다. 그러나 바람이라도 불어 호수가 물결을 살랑거리기라도 하면 아름답게 비춰지던 산 모양은 금세 사라지고 호수는 온통 보석처럼 빛이 산란되어 반짝이게 됩니다. 이것은 호수면이 울퉁불퉁해지며 나타나는 난반사 현상이 되는 것입니다.

정반사를 일으키는 호수

빛의 파장

빛은 우리 눈에 보이는 가시 광선부를 가장 많이 포함합니다. 그 파장 영역은 0.71μm~0.45μm이며 파장이 긴 쪽에서는 붉은색 계열을 보이며 파장이 짧은 쪽에서는 보라색 계열의 색을 보입니다. 그래서 흔히 붉은색보다 파장이 더 길며 우리 눈에 보이지 않는 부분을 적외선이라 하고, 보라색보다 파장이 더 짧아 역시 우리 눈에 보이지 않는 부분을 자외선이라고 정합니다.

여기에서 파장이 짧다는 것은 1초 동안의 진동하는 횟수가 많다는 이야기가 되며 결국 빨강색보다 파란색 계열이 더 많은 진동수를 가지게 됨을 의미하게 되는 것입니다.

가시 광선 영역

하늘이 파란 이유

'빛의 파장'에서 이야기하였듯이 같은 거리를 이동한다면 붉은색보다 파란색 계열이 더 많이 움직이는 바쁜 움직임을 보이게 됩니다. 즉, 움직이는 횟수가 많을수록 진공으로부터 진입된 태양의 빛이 지구 대기층 등의 장애물을 지날 때 방해를 많이 받게 되므로 빛이 흩어지는 산란이 잘 일어납니다.

사실 파란색보다 보라색이 더욱 파장이 짧으므로 보라색 하늘을 보여야 하나 태양에서 오는 가시 광선 중 보라색은 파란색보다 빛의 양이 매우 적습니다. 따라서 보라색 부분의 빛은 두꺼운 대기층을 통과하기 전에 이미 사라지고 적은 양만 남아 우리 눈까지는 도달하지 못합니다. 그러한 이유로 고도가 높아질수록 하늘의 색은 보라색에 가까운 색을 띠게 됩니다.

가을하늘은 더욱 높고 파랗다

우리나라는 가을철이 되면 양쯔강 기단²⁾의 영향을 받은 이동성 고기압³⁾의 영향권에 들게 됩니다. 고기압은 하강 기류가 발생되어 대기 중의 먼지를 없애는 역할을 하게 됩니다. 또한 열흘 이상의 맑은 날씨가 지속될 때 공기가 건조해지는 것 또한 파란색을 더욱 산란하게 하는 원인이 되어 가을의 하늘은 더욱 높고 파랗게 보이게 되는 것입니다.

하얀 구름

구름은 대부분이 수증기가 응결한 물방울들이 모여 이루어진 덩어리입니다. 물방울은 당연히 액체가 되며 매우 투명합니다. 투명하므로 모든 빛이 통과하게 되나 빛이 들어가는 각도에 따라 다시 되돌아 나오게 되는 전반사 현상이 나타납니다. 이러한 전반사⁴⁾ 현상에 의해 모든 파장의 빛이 동일하게 되돌아 나오므로 우리 눈에는 흰색으로 보이게 됩니다. 투명한 얼음 덩어리를 계속 깨서 가루로 만든다면 얼음 가루의 색이 흰색으로 보이는 원리와 같다고 보시면 됩니다.

앞에서 언급한 산란은 공기 분자 크기 정도의 매우 작은 입자들이 가시 광선이 입사되었을 때 색이 다르게 나타나는 산란을 레일레이 산란이라 하고, 구름이나 눈에서와 같이 투명하고 상대적으로 큰 입자들이 흰색으로 보이는 현상은 미 산란이라고 합니다.

아침저녁 노을은 왜 붉을까

하늘은 빛의 산란으로 파랗게 보이는데 더 많은 대기층을 뚫고 들어오는 아침과 저녁의 태양빛에 의한 하늘은 붉은색 노을을 보이게 됩니다. 분명 모순된다는 생각을 할 것입니다.

그러나 낮에 하늘이 파랗게 보이는 원리와 동일한 원리로 붉게 보이는 것입니다. 해가 지고 뜨는 아침과 저녁에는 햇빛이 투과되어 오는 빛의 경로가 낮보다 훨씬 길어지게 됩니다. 이렇게 빛의 경로가 길어지면 산란이 잘 되는 파란색은 이미 먼 곳에서 산란을 일으키고 사라져 버립니다. 비교적 긴 파장 영역의 붉은색이 두꺼운 대기를 통과한 후 우리 눈앞에서 산란을 일으켜 붉은색의 노을을 볼 수 있는 것입니다.

무심히 하늘의 조화로만 보아온 하늘의 변화가 이토록 다양한 빛의 파동 현상을 품고 있다는 것은 매우 재미있는 사실입니다. 과학을 알아갈수록 이와 같이 흥미로운 원리를 찾아내는 재미는 과학을 하는 또 다른 이유가 아닌가 생각됩니다.

구름의 종류

구름은 어떻게 분류할까?

구름의 과학적 분류는 1803년 L.하워드에 의해서 제안되었는데, 이에 따르면 층상(層狀) 구름, 적운상(積雲狀) 구름, 권운상(卷雲狀) 구름의 3가지로 분류된다. 국제적인 구름의 분류는 먼저 형태상으로 10종의 기본형과, 떠 있는 높이에 따라 상층운 ·중층운 ·하층운으로 구분되며, 10종의 기본형은 권운, 권적운, 권층운, 고적운, 고층운, 난층운, 층적운, 층운, 적운, 적란운이다.

[네이버 지식백과] 파란 하늘과 흰 구름이 생기는 이유는? (과학선생님도 궁금한 101가지 과학질문사전, 2011. 7. 30., 의정부과학교사모임)

 과학 상식 하나씩 배워봐요.