레일리 산란

햇빛은 사실 무지개처럼 빨간색부터 보라색까지 모든 색깔의 빛이 섞여 있는 흰빛(백색광)이에요. 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 분자에 거의 흩어지지 않고 대부분 그대로 나아가요. 반면에 파장이 짧은 파란빛은 훨씬 많이 흩어져요. 빛이 공기 분자 속 전자를 흔들고, 흔들린 전자가 빛을 사방으로 다시 내보내는 방식이에요.

이렇게 흩어진 파란빛이 하늘 전체에 가득 퍼지면서 우리 눈에 들어오게 돼요. 우리가 맑은 날 낮에 고개를 들어 하늘을 보면 하늘 전체에서 흩뿌려진 파란빛을 보게 되는 것이랍니다.

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 거리(경로)가 훨씬 길어져요.

햇빛이 공기층을 길게 통과하는 동안, 쉽게 흩어지는 파란빛은 도중에 대부분 사방으로 흩어져 버려요. 그래서 우리 눈이 있는 곳까지 도달하는 파란빛은 크게 줄어드는 셈이에요.

결국 산란이 덜 되어 끝까지 살아남은 긴 파장의 빨간빛과 주황빛이 상대적으로 많이 우리 눈에 닿아요. 그래서 낮에는 파랗던 하늘이 저녁이 되면 아름답고 붉은 노을로 물드는 것이에요.

영국의 물리학자 레일리는 빛이 흩어지는 세기가 빛의 파장의 4제곱에 반비례한다는 사실을 밝혀냈어요. 파장이 절반으로 짧아지면 산란되는 세기는 무려 16배나 강력해져요. 예를 들어 파장 약 450nm의 파란빛은 약 700nm의 빨간빛보다 5배에서 6배 정도 강하게 산란돼요.

그렇다면 파란빛보다 파장이 더 짧은 보라색으로 하늘이 보이지 않는 이유는 무엇일까요? 햇빛 속 보라색 빛은 파란빛보다 조금 적고, 무엇보다 사람의 눈이 보라색보다 파란색에 더 민감해서 산란된 빛이 섞인 하늘이 파랗게 보이기 때문이에요.

또한 공기 분자처럼 빛의 파장보다 훨씬 작은 입자에서 일어나는 산란을 레일리 산란이라고 불러요. 입자가 빛의 파장과 비슷하거나 더 커지면 미 산란(Mie scattering)이 주로 일어나는데, 이때는 색에 따른 산란 차이가 크게 줄어들어요. 특히 구름 속 물방울처럼 입자가 파장보다 훨씬 크면 모든 색이 거의 고르게 흩어져 하얗게 보인답니다.