하늘이 파란 이유와 노을이 붉은 이유: 레일리 산란 원리

하늘이 파란 이유는 공기 중의 질소와 산소 분자가 파장이 짧은 빛을 파장이 긴 빛보다 훨씬 강하게 흩뜨리기 때문입니다. 이 현상을 레일리 산란이라고 하며, 산란 세기는 파장의 4제곱에 반비례합니다(1/λ⁴). 그래서 파장 450 nm의 파란빛은 700 nm의 붉은빛보다 약 5.9배 더 많이 산란되고, 이렇게 흩어진 파란빛이 하늘 전체에서 우리 눈으로 들어옵니다. 해 질 녘에는 햇빛이 해가 머리 위에 있을 때보다 최대 약 38배나 많은 공기를 지나오므로 파란빛은 대부분 도중에 흩어져 사라지고, 주황빛과 붉은빛만 남아 노을이 붉게 보입니다.

햇빛은 모든 색이 섞인 빛입니다

햇빛은 하얗게 보이지만 사실은 무지개의 모든 색이 섞인 빛이고, 색마다 파장이 다릅니다. NASA는 사람 눈이 감지하는 범위를 대략 380~700나노미터(nm)로 소개하며, 자료에 따라서는 붉은색 쪽 끝을 750 nm 안팎까지 잡기도 합니다. 파장이 가장 짧은 쪽이 보라색이고, 파랑·초록·노랑·주황을 거쳐 파장이 가장 긴 쪽이 빨강입니다.

프리즘이나 빗방울은 이 색들을 갈라서 보여 줍니다. 맑은 공기는 이보다 미묘한 일을 합니다. 빛의 일부를 옆으로 돌려보내는데, 얼마나 돌려보내느냐가 파장에 따라 매우 크게 달라집니다. 파란 하늘, 붉은 노을, 그리고 이와 대조적인 하얀 구름까지, 하늘 색깔의 원리는 모두 이 한 가지 사실에서 출발합니다.

레일리 산란이란? 1/λ⁴ 법칙을 직접 계산해 보기

빛이 자기 파장보다 훨씬 작은 입자를 만나면, 빛의 진동하는 전기장이 입자 속 전자를 흔들고, 흔들린 전자는 다시 사방으로 빛을 내보냅니다. 질소 분자와 산소 분자는 지름이 1나노미터에도 한참 못 미쳐서 가시광선 파장보다 대략 1,000배 작습니다. 이런 영역의 산란을 19세기 물리학자 레일리 경(Lord Rayleigh)의 이름을 따서 레일리 산란이라고 부릅니다. 산란되는 빛의 세기는 1/λ⁴에 비례합니다. 즉 파장의 4제곱에 반비례하며, 같은 말을 진동수의 4제곱에 비례한다고 표현할 수도 있습니다. 파장이 절반으로 줄면 산란은 2⁴ = 16배로 커집니다.

파란색(450 nm)과 붉은색(700 nm)을 비교하려면 두 파장을 나눈 값을 4제곱하면 됩니다. 700 ÷ 450 = 1.556이고 1.556⁴ ≈ 5.86이므로, 파란빛은 붉은빛보다 거의 6배 강하게 산란됩니다. 계산기로 구할 때는 1.556을 제곱한 뒤 그 결과를 다시 제곱하면 편합니다(1.556² ≈ 2.42, 2.42² ≈ 5.86). 아래 표는 같은 계산을 스펙트럼 전체에 적용한 결과입니다.

다른 자료에서 이와 다른 배수를 본 적이 있다면, ‘파란색’과 ‘붉은색’을 어느 파장으로 잡느냐에 따라 값이 달라지기 때문입니다. 예를 들어 NOAA는 파란빛이 붉은빛보다 약 4배 강하게 산란된다고 설명하는데, 이는 대략 460 nm와 650 nm를 비교한 값에 해당합니다. 어느 경우든 법칙은 같고, 비교하는 양 끝 파장만 다릅니다.

하늘은 왜 보라색이 아닐까?

산란만 따지면 하늘은 보라색이어야 합니다. 400 nm 보라빛은 450 nm 파란빛보다 (450 ÷ 400)⁴ ≈ 1.6배 강하게 산란되기 때문입니다. 그런데도 하늘이 파랗게 보이는 데에는 세 가지 이유가 함께 작용합니다.

1. 햇빛에 들어 있는 보라색이 파란색보다 적습니다. 태양은 모든 색을 고르게 내보내지 않으며, 보라색 쪽의 세기는 빛이 지구에 닿기 전부터 이미 줄어듭니다.
2. 보라색은 내려오는 동안 먼저 소진됩니다. 보라색은 가장 많이 산란되는 만큼 내려오는 햇살에서도 가장 빨리 빠져나갑니다. 그래서 대기 깊은 곳에서 우리 쪽으로 산란될 보라색은 그만큼 적게 남습니다.
3. 사람의 눈은 보라색에 덜 민감합니다. 색을 구별하는 세 종류의 원뿔세포(원추세포)는 반응하는 범위가 서로 겹치는데, 보라색 쪽 끝에서는 반응이 약합니다. 뇌는 파랑과 보라가 많고 초록과 빨강이 조금 섞인 빛을 하얀 기가 도는 연한 파랑으로 합쳐서 인식합니다.

결국 하늘빛은 한 가지 순수한 색이 아니라 짧은 파장 쪽으로 치우친 넓은 혼합 빛이고, 사람의 시각이 그 혼합을 ‘하늘색’으로 받아들이는 것입니다.

노을이 붉고 주황색인 이유

노을 색도 같은 산란에서 나오지만, 이번에는 빛줄기의 반대쪽 끝에서 바라본 모습입니다. 한낮에는 햇빛이 대기를 짧은 거리만 지나 내려옵니다. 해가 낮게 떠 있으면 빛이 훨씬 많은 공기를 비스듬히 헤치고 오게 되고, 그 과정에서 파랑과 보라가 빛줄기 밖으로 흩어져 나갑니다. 끝까지 살아남은 빛은 노랑·주황·빨강 쪽으로 치우쳐 있어서 해의 둥근 모양과 구름 아랫면을 물들입니다.

천문학과 태양광 분야에서는 이 경로를 에어매스(대기 통과 거리)로 나타냅니다. 빛이 대기를 지나는 길이를 해가 머리 바로 위에 있을 때의 길이로 나눈 값으로, 날씨에서 말하는 ‘기단’과는 전혀 다른 개념입니다. 아래 값은 지구의 곡률까지 반영하는 Kasten–Young 공식으로 계산한 것이며, 태양 고도는 지평선에서 위쪽으로 잰 각도입니다.

공기층을 지날 때마다 파란빛이 일정한 비율씩 빠져나가므로, 경로가 38배로 길어지면 파란빛은 거의 남지 않습니다. 먼지, 매연 같은 대기 오염 물질과 그 밖의 에어로졸(대기 중에 떠 있는 미세한 입자)도 빛을 산란시키기 때문에 노을을 더 붉게 만들 수 있습니다. 같은 원리로 지평선 근처 하늘은 머리 위보다 흐릿하고 하얗게 보입니다. 낮은 각도에서 오는 빛은 너무 많은 공기를 지나오면서 파란빛이 산란과 재산란을 거듭해 하얀 빛으로 섞이기 때문입니다.

구름과 화성: 입자가 커지면 색이 달라집니다

구름은 왜 하얗고, 어떨 때 회색일까

구름 물방울은 공기 분자에 비하면 어마어마하게 큽니다. 전형적인 물방울은 지름이 약 20마이크로미터(0.02 mm)로, 초록빛 파장의 약 40배입니다. 이 정도 크기의 입자는 미 산란(Mie scattering)을 일으키는데, 미 산란은 가시광선의 모든 파장을 거의 똑같이 다룹니다. 그래서 구름에서 산란된 빛은 색의 조합이 그대로 유지되어 하얗게 보입니다. 구름이 두꺼워질수록 뚫고 지나오는 햇빛이 줄어들기 때문에, 구름 아랫면은 회색으로 보입니다.

• 공기 분자(지름 1 nm에도 한참 못 미침): 레일리 산란으로 파란빛을 훨씬 많이 산란시키므로 파란 하늘과 붉은 노을이 생깁니다.
• 구름 물방울(지름 약 2~50마이크로미터): 미 산란으로 색에 관계없이 거의 고르게 산란시키므로 하얀 구름 또는 회색 구름이 됩니다.

화성의 노을은 왜 파란색일까

화성은 입자가 얼마나 중요한지 잘 보여 줍니다. 화성 대기는 매우 얇고 대부분 이산화탄소로 이루어져 있으며, 그 속에 떠 있는 고운 먼지가 색을 대부분 결정합니다. 그래서 낮에는 하늘이 주황빛에서 붉은빛으로 보입니다. 해 질 무렵에는 양상이 뒤집힙니다. 먼지가 파란빛을 조금 더 잘 통과시키기 때문에 지는 해 주변에 푸른 회색 빛이 모입니다. NASA의 화성 탐사 로버 큐리오시티(Curiosity)가 2015년 게일 크레이터에서 이 모습을 촬영했습니다.

자주 묻는 질문

하늘이 파란 것은 바다가 비쳐서인가요?

아닙니다. 하늘의 색은 공기 자체가 만들어 내므로, 바다에서 멀리 떨어진 사막이나 산 위에서도 하늘은 똑같이 파랗습니다.

우주나 달에서는 왜 하늘이 까맣게 보이나요?

공기가 없으면 해가 있는 방향이 아닌 쪽에서 햇빛을 우리 눈으로 흩뜨려 보내 줄 물질이 없습니다. 그래서 대기권 밖이나 공기가 없는 달에서는 한낮에도 하늘이 까맣습니다.

개기월식 때 달이 붉게 보이는 이유는 무엇인가요?

월식 중인 달에 닿는 햇빛은 지구 대기의 두꺼운 층을 통과하며 걸러진 빛뿐입니다. 이 과정에서 노을 때와 마찬가지로 파란빛이 제거됩니다. NASA는 이를 전 세계의 일출과 일몰이 한꺼번에 달에 비치는 것에 비유합니다.

아침노을도 같은 원리인가요?

네. 일출 무렵에도 해가 낮게 떠 있어서 햇빛이 긴 공기층을 지나오기 때문에, 파란빛이 먼저 흩어져 사라지고 주황빛과 붉은빛이 남는다는 원리는 저녁노을과 같습니다.

참고 자료(영문): NASA 스페이스 플레이스: 하늘은 왜 파란가?; NOAA 제트스트림: 구름의 색; 웨스트텍사스 A&M 대학교(크리스토퍼 S. 베어드): 하늘은 왜 파란가?; PVEducation: 에어매스.

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