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푸른 하늘과 하얀 구름 그리고 붉은 노을
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 4419      
푸른 하늘과 하얀 구름 그리고 붉은 노을
류성철

이맘때면 모두들 산과 바다를 찾아 떠난다. 동해의 바닷가에선 수평선 저너머 떠오르는 붉은 태양을 보며 함성을 지르고 지리산 능선에서는 황홀한 저녁노을에 갈길을 멈추고 한동안 넋이 빠져 뭐라 표현할 수 없는 광경에 흠뻑 취한다. 시골 마을에서는 저편 동산위에 솟아오르는 뭉게구름과 풀밭위에 누워 푸른 하늘을 보면서 어떤 모양의 구름이 있나 찾아 보고 하늘을 캔버스로 삼아 하얀 구름을 그려본다. 제주도 어느 바닷가에서는 구름 사이로 내리비치는 햇빛이 고기잡이배가 떠있는 옥빛의 바다에 반사되어 반짝이는 그 찬란한 광경을 본다.
이런 황홀하고 아름다운 광경을 만들어내는 자연의 비밀들. 왜 하늘은 푸른색일까? 왜 구름은 하얀색일까? 떠오르는 해와 저녁 노을은 왜 붉은색일까?
자연이 만들어낸 그 빛깔은 빛의 진동수에 의해 결정된다. 우리가 볼 수 있는 빛중에 가장 낮은 진동수를 가진 빛은 빨간색으로 보이고 가장 높은 진동수는 보라색으로 보인다. 두 빛깔사이에는 무지개색을 만드는 빛들이 있으며 빨강.주황.노랑.초록.파랑.남색.보라로 나눈다. 그런데 태양빛이 흰색인 이유는 이 빛깔들을 모두 포함하고 있기 때문이다. 물체의 색은 자신에게 비춰진 빛중 반사된 일부의 빛이 그들의 색을 결정한다. 장미는 빨간색 빛을 반사하지만 다른 빛은 반사하지 못한다. 그래서 장미의 꽃잎은 빨간색이다. 그리고 투명한 물체의 빛깔은 물체를 뚫고 지나가는 빛깔에 의해 나타난다. 푸른색 유리는 뚫고 지나가는 푸른색 빛을 제외한 모든 빛을 흡수하기 때문에 우리 눈에 푸른색 빛만 보인다.
그러면 하늘은 왜 푸른색일까? 푸른색 유리처럼 푸른색 빛만 투과되기 때문일까? 만약 그렇다면 물체는 푸른 빛을 반사하거나 흡수하여 온세상이 파랗거나 검게 보여야 할 것이지만 그렇지는 않다. 왜냐하면 하늘은 빛의 산란에 의해 푸른색이 되기 때문이다. 입자에 빛이 부딪치면 진동하게 되고 여러 방향으로 다시 방출한다. 이것을 '산란'이라고 하는데 입자가 작으면 작을수록 높은 진동수의 빛을 산란시킨다. 대기 중의 질소나 산소와 같은 아주 작은 입자들은 진동수가 높은 자외선과 보라색 푸른색을 많이 산란시키는데 자외선은 대부분 오존층에 흡수되고 흡수되지 않은 자외선은 산란이 많이 일어나지만 보이지 않는 빛이다 그리고 보라색 빛이 푸른색 빛보다 산란이 더 많이 일어나지만 우리 눈이 푸른색에 훨씬 민감하여 하늘이 푸르게 보이는 것이다. 하늘의 푸른색은 기상조건과 지역에 따라 다르다. 가장 중요한 요인은 대기중의 수증기 함유량인데 가을 하늘이 유난히 푸르게 보이는 이유는 건조하기 때문이다. 산소나 질소분자보다 더 큰 먼지나 다른 입자가 많으면 더 낮은 진동수를 지닌 빛이 많이 산란되기 때문에 하늘이 덜 푸르게 되고 흰빛을 띠게 된다. 대도시의 하늘이 푸른색이 아니고 희뿌연 것은 바로 자동차 배기가스와 같은 큰 입자 때문이다. 폭풍이 지나간 후에 공기중의 입자들이 없어지면 하늘은 더 푸르게 보인다.
대기의 주성분인 산소나 질소분자에 낮은 진동수의 빛은 적게 산란되어 보라와 푸른색보다는 빨간색과 주황 노란색이 대기를 더 많이 통과하게 된다. 정오의 햇빛은 가장 엷은 대기층을 통과하여 지표면에 도달하게 되고 이때 푸른색이 상대적으로 적게 산란되고 태양은 노랗게 보인다. 시간이 지나 태양의 고도가 낮아질수록 햇빛이 통과하는 대기층은 두꺼워지고 푸른색 빛이 더 많이 산란되어 푸른색이 적어지게 되면 태양은 좀 더 붉게 보인다. 점점 더 일몰이 될수록 태양은 주황에서 빨강-주황으로 더욱 붉게 변한다. 일몰 때 우리가 보게되는 태양의 빛깔은 대기의 상태에 따라 다르다. 결국 날마다 다른 일몰을 경험하게 되는 것이다.
하늘에 떠 있는 구름의 빛깔은 흰색이다. 그 이유는 구름이 다양한 크기의 물분자가 모여서 만들어진 것이며 다양한 크기의 입자가 모여 있으면 산란되는 진동수도 다양해진다. 가장 작은 입자는 푸른색 빛을 조금 큰 입자는 녹색 빛을 더 큰 입자는 빨간색 빛을 산란시킨다. 따라서 전체적으로는 흰색이 된다. 그리고 구름에 입자들이 밀집되어 있어서 주변보다 산란된 빛의 양이 더 많으므로 더 밝게 보인다. 그런데 물입자의 크기가 더 큰 구름의 경우 빛은 흡수되고 산란된 빛의 양이 적어지게 되고 이런 구름은 어두운 먹구름이 되고 구름의 물입자가 더 커지면 땅으로 떨어져 우리는 비를 맞게 될 것이다.
이제 푸른 하늘이나 밝은 구름의 멋있는 모양이나 아름다운 일몰을 보고 감탄을 할 때 자연의 이치를 생각해 보라. 그러면 매일 경험하는 자연의 아름다움이 다른 모습으로 더욱 확실하게 다가올 것이다.
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