무지개의 원리
수억 개의 둥근 물방울 거울이 햇빛을 받아 프리즘처럼 여러 갈래의 색깔로 펼쳐 보여주는 현상이에요.
정의 햇빛이 공기 중에 떠 있는 작은 물방울 속으로 들어가 꺾이고, 반사된 뒤, 다시 꺾여 나오면서 여러 가지 색깔의 띠로 갈라지는 현상이에요. 겉보기에는 하얗게 보이는 햇빛 속에 숨어 있던 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색 빛이 각자 다른 각도로 꺾이면서 우리 눈에 펼쳐져요.
물방울 속에서 일어나는 빛의 삼단계 여행
분무기로 햇빛 아래 물을 뿜으면 작은 무지개가 생겨요. 하늘에 뜨는 커다란 무지개도 원리는 똑같아요. 비가 그친 뒤 공기 중에 남아 있는 수많은 물방울이 주인공이에요. 물방울 하나하나는 작지만 완벽한 유리구슬 같은 역할을 하거든요.
햇빛이 물방울 안으로 들어갈 때 첫 번째 변화가 일어나요. 공기를 지나던 빛이 물속으로 들어가면서 속도가 느려져 경로가 꺾이는데, 이를 굴절이라고 불러요. 이때 하얀 빛 속에 섞여 있던 색깔들이 각자 조금씩 다른 각도로 갈라지기 시작해요.
물방울 안으로 들어간 빛은 반대편 안쪽 벽에 부딪혀 튕겨 나와요. 이것이 두 번째 단계인 반사예요. 거울처럼 빛을 돌려보내는 과정이죠. 마지막으로 물방울을 빠져나와 다시 공기 중으로 나올 때 한 번 더 꺾이면서 색깔들이 훨씬 넓게 벌어져 우리 눈에 들어오게 돼요.
왜 항상 빨간색이 바깥쪽에 있을까요?
무지개를 가만히 살펴보면 언제나 맨 바깥쪽은 빨간색이고 맨 안쪽은 보라색이에요. 이 순서가 늘 일정한 이유는 색깔마다 빛의 파장이 다르기 때문이에요. 파장이란 빛이 출렁이며 나아가는 물결의 길이를 뜻해요.
빨간색 빛은 파장이 길어서 물방울을 통과할 때 비교적 덜 꺾여요. 반대로 보라색 빛은 파장이 짧아서 물방울 속에서 훨씬 급하게 꺾이죠. 이렇게 파장에 따라 빛이 꺾이는 정도가 달라서 색이 나뉘는 현상을 빛의 분산이라고 해요.
물방울 하나에서 빠져나올 때는 보라색이 더 아래쪽으로 꺾여 나와요. 그런데 높은 하늘에 있는 물방울에서는 덜 꺾인 빨간색 빛만 우리 눈에 똑바로 닿아요. 반대로 조금 낮은 하늘에 있는 물방울에서는 많이 꺾인 보라색 빛이 우리 눈으로 들어오죠. 그래서 우리 눈에는 높은 쪽 물방울이 모인 위쪽이 빨갛게 보이고, 낮은 쪽이 보라색으로 보이는 거예요.
조금 더 정확히 말하면: 무지개는 원래 둥근 원이에요
우리는 땅에 서 있기 때문에 무지개를 반원 모양의 다리처럼 보게 돼요. 지평선이나 땅바닥이 아래쪽 절반을 가려버리기 때문이에요. 만약 높은 비행기를 타거나 높은 산꼭대기에서 아래를 내려다보면 완벽한 원형의 무지개를 볼 수 있어요. 무지개는 내 눈과 태양을 잇는 가상의 선을 중심으로 약 42도 각도로 퍼져나가는 원뿔 모양의 빛이거든요.
가끔 무지개 위에 희미하게 또 하나의 무지개가 뜨는 '쌍무지개'를 볼 때가 있어요. 바깥쪽의 흐린 무지개는 2차 무지개라고 불러요. 빛이 물방울 속에서 한 번이 아니라 두 번 반사된 뒤 빠져나온 빛이에요.
두 번 튕기면서 빛이 더 많이 흩어지기 때문에 2차 무지개는 훨씬 흐릿해요. 게다가 거울에 두 번 비친 것처럼 색깔 순서도 뒤집혀서 보라색이 바깥쪽, 빨간색이 안쪽으로 나타나게 돼요.
🤔 흔한 오해
무지개는 하늘의 특정 장소에 실제로 떠 있는 거대한 아치형 물체다.
무지개는 실체가 있는 물체가 아니라, 관찰자의 위치와 태양의 각도에 따라 눈에 맺히는 광학 현상이에요. 그래서 내가 걸어가면 무지개도 함께 이동하며, 무지개 끝자락에 직접 도착하는 것은 불가능해요.
🧺 일상에서 만나요
햇빛이 공기 중 물방울 속에서 굴절, 반사, 분산되면서 우리 눈에 펼쳐지는 아름다운 빛의 스펙트럼 현상이에요.