하늘의 색 — 하늘은 왜 파랗고 노을은 왜 붉을까
햇빛은 흰색인데 하늘은 파랗습니다. 공기 분자가 파장이 짧은 파란빛을 훨씬 많이 흩뜨리는 산란이 답입니다. 왜 보라가 아니라 파랑인지, 해가 질 때는 같은 산란이 왜 하늘을 붉게 만드는지, 구름은 왜 흰지, 달에서는 왜 낮에도 하늘이 검은지 정리했습니다.
햇빛은 흰색입니다. 공기도 유리컵에 담아 보면 투명합니다. 그런데 그 투명한 공기를 통과한 흰 햇빛 아래 서서 올려다보면 하늘은 파랗습니다. 공기가 파란 물감인 것도 아니고, 바다를 비춰서도 아닙니다. 답은 햇빛이 공기 분자에 부딪혀 사방으로 흩어지는 산란에 있습니다. 그런데 산란은 모든 색에 일어나는데, 왜 하필 파랑만 남을까요.
햇빛은 공기 분자에 부딪혀 흩어집니다
햇빛은 빨강부터 보라까지 모든 색이 섞인 빛입니다. 프리즘이나 빗방울이 그것을 펼쳐 보여 줍니다(무지개). 색의 차이는 파장의 차이입니다. 빨강은 파장이 700 nm 안팎으로 길고, 보라는 400 nm 안팎으로 짧습니다.
공기를 이루는 질소와 산소 분자는 빛의 파장보다 훨씬 작습니다. 이렇게 작은 알갱이에 부딪힌 빛은 파장이 짧을수록 더 많이 산란됩니다. 세기는 파장의 네제곱에 반비례합니다. 파장이 절반이면 산란은 열여섯 배입니다.
그래서 450 nm 의 파란빛은 700 nm 의 붉은빛보다 다섯 배 넘게 많이 흩어집니다. 붉은빛은 대부분 곧장 지나가고, 파란빛은 가는 길마다 옆으로 튕겨 나갑니다. 해가 없는 쪽 하늘을 올려다봐도 밝은 까닭이 이것입니다. 그 방향의 공기가 흩뜨린 빛이 눈으로 들어오고, 그 빛의 대부분이 파랑입니다. 하늘 전체가 파란 빛을 뿜는 커다란 전등이 되는 셈입니다.
왜 보라가 아니라 파랑일까
보라는 파랑보다 파장이 더 짧으니 더 많이 산란되어야 합니다. 그런데 하늘은 보라가 아닙니다. 두 가지 까닭이 겹칩니다. 첫째, 햇빛 자체에 보라 성분이 파랑보다 적습니다. 둘째, 우리 눈은 보라에 둔하고 파랑에 훨씬 민감합니다. 산란된 빛 속에 보라가 섞여 있어도 눈이 받아들이는 색은 파랑으로 기울어집니다. 하늘의 색은 물리학과 눈의 성질이 함께 정한 색입니다.
노을은 같은 산란의 다른 얼굴입니다
해가 지평선 가까이 내려가면 햇빛은 머리 위에서 올 때보다 대기를 훨씬 길게 비스듬히 지나옵니다. 긴 길을 오는 동안 파란빛은 도중에 거의 다 흩어져 옆으로 빠져나가고, 눈에 닿을 때쯤에는 산란을 덜 받은 빨강과 주황만 남습니다. 그래서 해와 그 둘레의 하늘이 붉게 물듭니다. 하늘을 파랗게 만든 바로 그 산란이 길어진 경로에서는 하늘을 붉게 만듭니다.
구름은 왜 흰색일까요. 구름의 물방울은 빛의 파장보다 훨씬 큽니다. 큰 알갱이는 색을 가리지 않고 모든 파장을 고르게 산란시킵니다. 모든 색이 고르게 섞이면 흰색입니다. 우유가 흰 것도 같은 까닭입니다. 거꾸로 공기가 없는 달에서는 산란시킬 것이 없어 낮에도 하늘이 검고, 해는 그 검은 하늘에 박힌 흰 원반으로 보입니다.
시험에서는 이렇게 나옵니다
- 하늘이 파란 까닭. 공기 분자가 파장이 짧은 빛을 더 많이 산란시키기 때문입니다. 파장이 짧을수록 산란이 강합니다.
- 노을이 붉은 까닭. 해가 낮을 때 햇빛이 대기를 길게 지나며 파란빛이 먼저 흩어져 빠지고 붉은빛이 남기 때문입니다. 공기의 성질이 바뀐 것이 아니라 경로의 길이가 바뀐 것입니다.
- 구름이 흰 까닭. 물방울이 파장보다 커서 모든 색을 고르게 산란시킵니다.
- 달이나 우주에서 하늘이 검은 까닭. 산란시킬 대기가 없기 때문입니다.
- 산란과 굴절 가르기. 무지개는 빗방울 안의 굴절과 반사로 색이 갈리는 것이고, 하늘의 색은 산란입니다. 색이 나뉘는 길이 다릅니다.
자주 헷갈리는 것
- "공기가 파란색이라서 하늘이 파랗다" — 공기는 투명합니다. 파란빛이 더 많이 흩어져 눈에 들어올 뿐입니다.
- "하늘이 바다를 비춰서 파랗다" — 바다에서 먼 사막의 하늘도 파랗습니다. 오히려 바다가 하늘을 비춥니다.
- "보라가 가장 많이 산란되니 하늘은 보라여야 한다" — 햇빛에 보라가 적고 눈이 보라에 둔해 파랑으로 보입니다.
- "노을 때는 공기가 붉은빛을 더 많이 산란시킨다" — 반대입니다. 파란빛이 도중에 다 빠져나가 붉은빛만 남아서 눈에 닿는 것입니다.
정리합니다. 공기 분자는 파장이 짧은 빛을 더 많이 산란시켜 하늘을 파랗게 만들고, 햇빛에 보라가 적고 눈이 보라에 둔해 보라가 아니라 파랑으로 보입니다. 해가 낮아 경로가 길어지면 파란빛이 먼저 빠져나가 노을이 붉습니다. 구름은 큰 물방울이 모든 색을 고르게 산란시켜 희고, 대기가 없는 달의 하늘은 낮에도 검습니다.
그림 참고: [NASA Space Place, Why Is the Sky Blue?](https://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.