우리가 살고 있는 푸른 행성이 바로 지구이다. 우주에서 봤을 때 푸른색의 바다와 녹색의 산과 갈색의 흙에 흰색의 구름이 조화를 이루고 있는 아름다운 행성이다. 현재 지구의 나이는 약 46억 년이라고 알려져 있으며, 원시 태양 주위에 있던 엄청난 수의 미행성이 충돌, 뭉쳐져서 원시 지구를 탄생시켰을 것이다. 탄생 직후의 지구는 고온의 마그마 바다였으나 미행성의 충돌이 잠잠해지면서 냉각하기 시작하고 얇은 지각이 형성되었다. 그리고 이산화탄소가 주성분이었던 원시 대기에 비가 내림으로써 바다가 형성되고, 이산화탄소가 바다에 녹아 하늘이 맑아졌을 것이다. 약 35억 년에서 25억 년 전쯤에 지표의 온도가 현재 지구 온도와 가까워졌고 지구 환경도 안정기에 접어들었다. 그리하여 35억 년 전에 비로소 지구에 원시 생명이 탄생한 것으로 추측하고 있다.
하늘이 파란 이유
빛의 반사(Reflection)
태양에서 나오는 빛은 한 매질에서 다른 매질로 향해 전파해 가다가 그 경계면에서 일부 방향을 바꾸어 원래의 매질로 되돌아오는 현상을 반사라고 하며, 반사에는 나름대로 입사된 각과 반사된 각이 똑같은 각도를 가지는 고유한 법칙을 가지고 있습니다(반사의 법칙). 또한 일반적으로 반듯한 면에서 나타나는 반사를 정반사라고 하며 울퉁불퉁한 면에서 나타나는 반사를 난반사1)라고 합니다.
이와 같이 울퉁불퉁한 면에서 나타나는 난반사를 흔히 산란이라 합니다. 바람 없는 잔잔한 호수에 비춰진 산의 모습은 마치 말끔한 평면 거울에 비춰지는 것처럼 정반사를 일으켜 매우 멋진 풍경을 보여줍니다. 그러나 바람이라도 불어 호수가 물결을 살랑거리기라도 하면 아름답게 비춰지던 산 모양은 금세 사라지고 호수는 온통 보석처럼 빛이 산란되어 반짝이게 됩니다. 이것은 호수면이 울퉁불퉁해지며 나타나는 난반사 현상이 되는 것입니다.
정반사를 일으키는 호수
빛의 파장
빛은 우리 눈에 보이는 가시 광선부를 가장 많이 포함합니다. 그 파장 영역은 0.71μm~0.45μm이며 파장이 긴 쪽에서는 붉은색 계열을 보이며 파장이 짧은 쪽에서는 보라색 계열의 색을 보입니다. 그래서 흔히 붉은색보다 파장이 더 길며 우리 눈에 보이지 않는 부분을 적외선이라 하고, 보라색보다 파장이 더 짧아 역시 우리 눈에 보이지 않는 부분을 자외선이라고 정합니다.
여기에서 파장이 짧다는 것은 1초 동안의 진동하는 횟수가 많다는 이야기가 되며 결국 빨강색보다 파란색 계열이 더 많은 진동수를 가지게 됨을 의미하게 되는 것입니다.
가시 광선 영역
하늘이 파란 이유
'빛의 파장'에서 이야기하였듯이 같은 거리를 이동한다면 붉은색보다 파란색 계열이 더 많이 움직이는 바쁜 움직임을 보이게 됩니다. 즉, 움직이는 횟수가 많을수록 진공으로부터 진입된 태양의 빛이 지구 대기층 등의 장애물을 지날 때 방해를 많이 받게 되므로 빛이 흩어지는 산란이 잘 일어납니다.
사실 파란색보다 보라색이 더욱 파장이 짧으므로 보라색 하늘을 보여야 하나 태양에서 오는 가시 광선 중 보라색은 파란색보다 빛의 양이 매우 적습니다. 따라서 보라색 부분의 빛은 두꺼운 대기층을 통과하기 전에 이미 사라지고 적은 양만 남아 우리 눈까지는 도달하지 못합니다. 그러한 이유로 고도가 높아질수록 하늘의 색은 보라색에 가까운 색을 띠게 됩니다. 결국 지구의 대기가 태양빛 중에서 단파장인 푸른빛을 산란시키기 때문에 하늘이 파랗게 보인다는 것이다. 여러 파장으로 나뉘어진 태양빛 중 우리가 볼 수 있는 부분을 가시광선이라고 한다.
가을하늘은 더욱 높고 파랗다
우리나라는 가을철이 되면 양쯔강 기단2)의 영향을 받은 이동성 고기압3)의 영향권에 들게 됩니다. 고기압은 하강 기류가 발생되어 대기 중의 먼지를 없애는 역할을 하게 됩니다. 또한 열흘 이상의 맑은 날씨가 지속될 때 공기가 건조해지는 것 또한 파란색을 더욱 산란하게 하는 원인이 되어 가을의 하늘은 더욱 높고 파랗게 보이게 되는 것입니다.
하얀 구름
구름은 대부분이 수증기가 응결한 물방울들이 모여 이루어진 덩어리입니다. 물방울은 당연히 액체가 되며 매우 투명합니다. 투명하므로 모든 빛이 통과하게 되나 빛이 들어가는 각도에 따라 다시 되돌아 나오게 되는 전반사 현상이 나타납니다. 이러한 전반사4) 현상에 의해 모든 파장의 빛이 동일하게 되돌아 나오므로 우리 눈에는 흰색으로 보이게 됩니다. 투명한 얼음 덩어리를 계속 깨서 가루로 만든다면 얼음 가루의 색이 흰색으로 보이는 원리와 같다고 보시면 됩니다.
앞에서 언급한 산란은 공기 분자 크기 정도의 매우 작은 입자들이 가시 광선이 입사되었을 때 색이 나르게 나타나는 산란을 레일레이 산란이라 하고, 구름이나 눈에서와 같이 투명하고 상대적으로 큰 입자들이 흰색으로 보이는 현상은 미 산란이라고 합니다.
아침저녁 노을은 왜 붉을까
하늘은 빛의 산란으로 파랗게 보이는데 더 많은 대기층을 뚫고 들어오는 아침과 저녁의 태양빛에 의한 하늘은 붉은색 노을을 보이게 됩니다. 분명 모순된다는 생각을 할 것입니다.
그러나 낮에 하늘이 파랗게 보이는 원리와 동일한 원리로 붉게 보이는 것입니다. 해가 지고 뜨는 아침과 저녁에는 햇빛이 투과되어 오는 빛의 경로가 낮보다 훨씬 길어지게 됩니다. 이렇게 빛의 경로가 길어지면 산란이 잘 되는 파란색은 이미 먼 곳에서 산란을 일으키고 사라져 버립니다. 비교적 긴 파장 영역의 붉은색이 두꺼운 대기를 통과한 후 우리 눈앞에서 산란을 일으켜 붉은색의 노을을 볼 수 있는 것입니다.
무심히 하늘의 조화로만 보아온 하늘의 변화가 이토록 다양한 빛의 파동 현상을 품고 있다는 것은 매우 재미있는 사실입니다. 과학을 알아갈수록 이와 같이 흥미로운 원리를 찾아내는 재미는 과학을 하는 또 다른 이유가 아닌가 생각됩니다.
구름의 종류
구름은 어떻게 분류할까?
구름의 과학적 분류는 1803년 L.하워드에 의해서 제안되었는데, 이에 따르면 층상(層狀) 구름, 적운상(積雲狀) 구름, 권운상(卷雲狀) 구름의 3가지로 분류된다. 국제적인 구름의 분류는 먼저 형태상으로 10종의 기본형과, 떠 있는 높이에 따라 상층운 ·중층운 ·하층운으로 구분되며, 10종의 기본형은 권운, 권적운, 권층운, 고적운, 고층운, 난층운, 층적운, 층운, 적운, 적란운이다.
각주
- 1 난반사: 물체의 표면이 고르지 않고 울퉁불퉁한 상태에서 빛이 비추어져서 반사되는 빛들이 각각 다양한 방향으로 반사되어 나가는 것을 말한다. 우리가 물체를 볼 수 있는 것은 난반사 때문이다.
노을
하늘이 파란 이유는 지구의 대기가 태양빛 중에서 단파장인 푸른빛을 산란시키기 때문이다. 태양빛은 여러 파장으로 나눌 수 있는데 그중 한부분이 우리가 볼 수 있는 가시광선이다. 가시광선은 빨주노초파남보 색깔로 나뉘게 된다. 빨간색은 상대적으로 파장이 길고, 파란색, 남색, 보라색으로 갈수록 파장이 짧다. 이에 대기는 상대적으로 짧은 푸른색의 빛들을 많이 산란시키게 되고 이에 따라 우리의 눈에는 푸른색이 비춰져 하늘이 파랗게 보이는 것이다. 그리고 태양이 수평선 방향에 있다면 더욱 많은 대기들을 지나야만 우리 눈에 도달할 수 있는데, 푸른색의 단파장들은 산란되어 여러 방향으로 흩어지고 붉은 계열의 장파장들이 우리의 눈에 도달하기 때문에 노을은 붉고 노란 계열로 보이는 것이다.
지구의 미래
우리 인간은 지구의 자원을 이용하여 현재까지 살아왔다. 하지만 지구를 생각하지 않는 무분별한 산업화는 몇몇의 문제(이산화탄소 증가로 인한 온실효과, 염화플루오린화탄소의 오존층파괴 등) 들을 발생시켜 인류에 위협을 가하고 있다. 또한, 앞으로 수십억 년 사이에 거대운석의 충돌, 혹은 대륙이동에 따른 화산활동이나 기후변동 등에 의해 멸망할 가능성도 있다.
또한 미래에는 판 운동이 정지하고 바다는 맨틀에 흡수되어 없어져 가며, 언젠가는 현재의 화성과 같은 모습이 될 것이라 예상할 수도 있다. 그리고 대략 50억년 후에는 태양이 주계열성 단계를 마치고 거성 단계에 접어들어 지구의 공전궤도에 가까운 크기까지 팽창할 것이다. 지구자체는 태양에 흡수되거나 표면이 융해되고 탄생할 때와 같은 마그마로 뒤덮일 것이다. 만약 태양의 진화가 끝날 때까지 지구가 남아 있다면 그대로 백색왜성이 된 태양과 함께 식어 갈 것이다.
태양 빛이 공기 중의 질소, 산소, 먼지 등과 같은 작은 입자들과 부딪칠 때 빛이 사방으로 재방출되는 현상을 빛의 산란이라고 한다고 했는데, 태양으로부터 오는 자외선의 대부분은 오존층에서 흡수되고, 대기를 통하여 들어오는 일부 자외선은 대기 입자들과 분자들에 의해 산란된다. 가시광선 중에서는 파장이 짧을수록, 즉 진동수가 클수록 산란이 잘 일어나므로 보라와 파랑이 빨강보다 산란이 잘 된다. 그러나 우리 눈은 보랏빛에 별로 민감하지 않으므로 하늘이 파랗게 보이는 것이다.
새벽녘이나 해질 무렵에는 태양빛이 낮보다 상대적으로 두꺼운 대기를 통과하므로 파란빛은 대부분이 대기 속에서 산란되어 지표면에 도달하지 못하고 붉은빛이 지표면에 도달하여 하늘이 붉게 보이는 것이다.
입자에 빛을 쪼이면 입사광과 같은 진동수를 가진 산란광이 생긴다. 빛의 파장보다 훨씬 작은 입자에 의한 산란을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라고 하며, 이 때 산란광의 세기는 파장의 네제곱에 반비례한다. 레일리 산란의 예로는 맑게 갠 날 하늘이 푸르게 보이고, 해뜨기 전 동쪽 하늘이나 해진 후의 서쪽 하늘이 붉게 보이는 현상 등이 있다.
반면에 빛의 파장과 비슷한 크기의 입자에 의한 산란을 미 산란(Mie scattering)이라고 하며, 이 때 산란광의 세기는 파장에 반비례한다. 즉 미 산란광의 세기는 레일리 산란에 비해 상대적으로 파장에 덜 의존적인 것이다. 미 산란의 예로는 먼지가 많은 날에는 하늘이 뿌옇게 보이고, 뭉게 구름이 하얗게 보이는 현상 등이 있다.
