[과학 상식] 파란 하늘 아래 낭만. 하늘이 파란 이유를 알아보기

 

 

 

안녕하세요. 언제나 맑음! 인사드립니다.

 

파란 하늘 아래 낭만이 있습니다. 

 

우리는 파란 하늘과 푸르른 강과 바다를 좋아합니다.

 

답답할때면 시원한 느낌을 받기위해 그리 찾는 장소이기도 하지요.

 

먼 곳을 바라보면서 잡생각을 떨치곤 합니다.

 

그럼 왜 하늘은 푸르른 것일까요?

 

 

 

 

하늘이 파란 이유

 

 

하늘이 파란 이유는 주로 태양빛이 대기를 통과하면서 일어나는 레이리 산란(Rayleigh scattering) 현상 때문입니다. 

 

이를 이해하기 위해서는 빛의 성질, 대기의 구성, 그리고 산란의 원리에 대해 알아야 합니다. 

 

아래에서 이를 단계적으로 설명하겠습니다.

 

 

 

1. 빛의 성질

 

태양빛은 우리 눈에 보이는 흰색이지만, 실제로는 다양한 색깔의 빛이 합쳐져 있습니다. 이 빛은 가시광선이라고 불리며, 각 색깔의 빛은 서로 다른 파장을 가집니다.

- 파장의 범위
가시광선의 파장은 약 380nm(보라색)에서 750nm(빨간색) 사이입니다.

짧은 파장: 보라색(380nm), 파란색(450nm)

긴 파장: 주황색(600nm), 빨간색(700nm)

 

빛은 파장에 따라 다른 성질을 보이며, 짧은 파장의 빛은 더 쉽게 산란되고, 긴 파장의 빛은 비교적 직진하는 경향이 있습니다.

 

 

 

2. 대기의 구성

 

지구의 대기는 주로 질소(78%)와 산소(21%)로 이루어져 있으며, 이 외에 소량의 아르곤, 이산화탄소, 수증기 등이 포함되어 있습니다. 빛이 지구 대기를 통과할 때, 이 대기 입자들과 상호작용하게 됩니다.

이때 중요한 점은 대기 입자의 크기가 매우 작다는 것입니다. 대기 분자의 크기는 약 0.1nm로, 가시광선의 파장(380~750nm)에 비해 훨씬 작습니다. 이처럼 빛의 파장이 입자 크기에 비해 클 때, 레이리 산란이 발생합니다.

 

 

 

3. 레이리 산란 (Rayleigh Scattering)

 

레이리 산란은 빛이 입자에 부딪혀 여러 방향으로 흩어지는 현상입니다. 이 현상의 강도는 빛의 파장에 따라 달라지는데, 산란의 강도는 파장의 4제곱에 반비례합니다. 

 

즉, 짧은 파장의 빛이 긴 파장의 빛보다 훨씬 더 많이 산란됩니다.

 

- 산란 강도 비율
파란색 빛(450nm)은 빨간색 빛(700nm)보다 약 (700/450)⁴ ≈10배 더 많이 산란됩니다.

이 때문에 태양빛이 대기를 통과할 때, 파란색과 보라색과 같은 짧은 파장의 빛이 더욱 강하게 산란됩니다.

 

 

 

 

4. 하늘이 보라색이 아닌 이유

 

그렇다면 짧은 파장의 빛 중에서도 가장 짧은 보라색 빛이 가장 많이 산란되는데, 왜 하늘은 파란색으로 보일까요? 이는 다음 두 가지 이유 때문입니다.

- 태양빛의 스펙트럼
태양빛의 스펙트럼에서 파란색 빛(450nm)의 세기는 보라색 빛(380nm)보다 더 강합니다. 즉, 태양빛 자체에서 파란색 빛이 더 많이 포함되어 있습니다.

- 인간의 시각
사람의 눈에는 원추세포라는 색을 인식하는 세포가 있는데, 이 세포는 빨강, 초록, 파랑에 민감합니다. 하지만 보라색에 대한 민감도는 상대적으로 낮습니다. 따라서 보라색 빛이 많이 산란되더라도, 우리는 하늘을 주로 파란색으로 인식하게 됩니다.

 

 

 

5. 일출과 일몰 시 하늘이 붉게 보이는 이유

 

일출이나 일몰 때 하늘이 붉은색이나 주황색으로 보이는 이유는 태양빛이 대기를 통과하는 경로가 길어지기 때문입니다.

태양이 지평선 근처에 있을 때, 빛은 대기를 더 두껍게 통과합니다. 이 과정에서 짧은 파장의 빛(파란색, 보라색)은 대부분 산란되어 사라지고, 긴 파장의 빛(빨간색, 주황색)이 더 많이 남아 우리 눈에 도달합니다.

따라서 해 질 녘 하늘은 붉은빛을 띠게 됩니다.

 

 

 

6. 대기가 없으면 하늘은 어떻게 보일까?

만약 지구에 대기가 없다면, 하늘은 검게 보일 것입니다. 이는 대기에서 빛이 산란되지 않기 때문입니다. 실제로 우주에서는 빛이 산란할 매질이 없기 때문에, 태양은 밝게 빛나지만 주변 하늘은 완전히 어두운 상태로 보입니다.

 

 

 

7. 기타 요인

- 대기오염과 먼지
대기 중에 먼지나 오염물질이 많을 경우, 레이리 산란보다 입자가 큰 먼지에 의해 발생하는 **미 산란(Mie Scattering)**이 우세해집니다. 이 경우 파장에 관계없이 모든 색이 고르게 산란되어 하늘이 뿌옇게 보일 수 있습니다.

- 물방울과 구름
구름은 크기가 큰 물방울로 이루어져 있으며, 이 역시 미 산란을 일으켜 모든 빛을 고르게 산란시킵니다. 그래서 구름은 흰색으로 보입니다.

 

 

 

 

 

 

결론

 

하늘이 파란 이유는 태양빛이 대기를 통과할 때, 짧은 파장의 파란색 빛이 대기 분자에 의해 더 많이 산란되기 때문입니다.

 

이 과정에서 보라색 빛도 산란되지만, 태양빛의 스펙트럼과 인간의 시각 특성 때문에 우리는 하늘을 파란색으로 인식합니다.

 

이러한 현상은 대기의 존재와 빛의 파장, 산란의 물리학적 원리가 조화를 이루며 발생하는 자연 현상입니다.

 

 

 

이상으로, 과학 상식 한 조각이었습니다.

 

항상 건강하시고, 주말 마무리 잘 하시길 바랍니다.

 

언제나 맑음! 인사드립니다~ ^^