레일리 산란
조그만 자갈밭에 작은 공만 요란하게 튕겨 나가듯, 아주 작은 공기 알갱이에 파장이 짧은 파란빛만 사방으로 흩뿌려지는 현상이에요.
정의 햇빛이 지구 대기를 통과할 때, 빛의 파장보다 훨씬 작은 공기 분자들과 부딪혀 사방으로 흩어지는 현상이에요. 파장이 짧은 푸른빛일수록 훨씬 더 강하게 흩어지기 때문에 낮에는 푸른 하늘을, 해 질 녘에는 붉은 노을을 만들어내요.
낮 하늘이 파란 도화지가 되는 이유
햇빛은 사실 무지개처럼 빨간색부터 보라색까지 모든 색깔의 빛이 섞여 있는 투명한 빛이에요. 각 색깔은 저마다 고유한 물결의 길이인 파장을 가지고 있어요. 빨간빛은 파장이 길고 완만하게 출렁이지만, 파란빛은 파장이 매우 짧고 촘촘하게 요동쳐요.
햇빛이 지구를 둘러싼 공기 속으로 들어오면 질소나 산소 같은 아주 미세한 기체 분자들을 만나요. 이때 파장이 긴 빨간빛은 공기 분자를 가볍게 훌쩍 뛰어넘어 직진해요. 반면에 파장이 짧은 파란빛은 작은 공기 분자에 끊임없이 부딪혀 사방으로 튕겨 나가요.
이렇게 튕겨 나간 파란빛이 하늘 전체에 가득 퍼지면서 우리 눈에 들어오게 돼요. 우리가 맑은 날 낮에 고개를 들어 하늘을 보면 하늘 전체에서 흩뿌려진 파란빛을 보게 되는 것이랍니다.
저녁 노을은 왜 붉게 물들까요?
해 질 무렵이 되면 태양의 위치가 지평선 근처로 낮아져요. 낮에는 햇빛이 머리 위에서 수직에 가깝게 내려오지만, 저녁에는 비스듬한 각도로 들어와요. 그 결과 햇빛이 우리 눈에 도달하기까지 지나와야 하는 공기층의 두께가 훨씬 두꺼워져요.
햇빛이 두꺼운 공기층을 길게 통과하는 동안, 쉽게 흩어지는 파란빛은 도중에 사방으로 다 튕겨 나가 사라져 버려요. 우리 눈이 있는 곳까지 미처 도달하지 못하고 중간에 모두 흩어져 바닥나는 셈이에요.
결국 산란되지 않고 꿋꿋하게 끝까지 직진해 살아남은 긴 파장의 빨간빛과 주황빛만이 우리 눈에 닿아요. 그래서 낮에는 파랗던 하늘이 저녁이 되면 아름답고 붉은 노을로 물드는 것이에요.
조금 더 정확히 말하면
영국의 물리학자 레일리는 빛이 흩어지는 세기가 빛의 파장의 4제곱에 반비례한다는 사실을 밝혀냈어요. 파장이 절반으로 짧아지면 산란되는 세기는 무려 16배나 강력해져요. 그래서 파장이 긴 붉은빛보다 파장이 짧은 푸른빛이 대략 5배에서 6배 정도 강하게 산란돼요.
그렇다면 파란빛보다 파장이 더 짧은 보라색으로 하늘이 보이지 않는 이유는 무엇일까요? 태양이 내뿜는 빛 중에서 보라색 빛의 양 자체가 파란빛보다 훨씬 적은 데다, 사람의 눈이 보라색보다 파란색을 훨씬 민감하게 감지하기 때문이에요.
또한 공기 분자처럼 빛의 파장보다 작은 입자에서 일어나는 산란만 레일리 산란이라고 불러요. 구름 속 물방울이나 먼지처럼 빛의 파장보다 큰 입자에서는 모든 색의 빛이 골고루 흩어지는 미 산란(Mie scattering)이 일어나 하얗게 보인답니다.
🤔 흔한 오해
우주 공간에서도 대낮처럼 하늘이 파랗게 보인다.
우주에는 빛을 흩뿌려줄 공기 분자가 없기 때문에, 태양이 환하게 빛나고 있어도 하늘 배경은 새까만 암흑으로 보여요.
🧺 일상에서 만나요
빛의 파장보다 작은 공기 분자에 부딪혀 파란빛이 붉은빛보다 훨씬 강하게 흩어지는 현상이에요.