4. 대기에서 빛의 산란, 왜 하늘은 파란색인가?

 

 

 

빛이 공기 중에 분자와 같은 퍼져 있는 입자에 입사되었을 때 빛의 일부는 흡수되고 그리고 나서 모든 방향으로 재복사한다. 이 과정을 산란이라 한다.

대기에서 햇빛의 산란(즉 햇빛이 대기에 의해 산란된다.)은 파란 하늘, 붉은 빛의 아침여명과 노을 같은 하늘빛의 편광 같은 재미있는 현상을 야기한다. 대기산란에 의해 하늘빛이 편광이 된다.

 

 

비편광 빛인 햇빛이 공기분자에 입사하면 빛의 전기장은 분자의 전자들을 진동하게 만든다. 이 진동은 매우 복잡하지만 어찌되었던 분자 내 전자는 가속되어 방송국의 안테나에서 전자를 진동시켜 전자기파를 만들어내는 것처럼 복사한다. 방출된 복사의 세기는 진동에 대해 수직한 선이 가장 강하게 복사된다.

태양빛이 통과하는 방향에 대해 90° 방향으로 관측자가 전하의 진동은 편광방향과 수직이기 때문에, 선편광된 빛을 보고 있다. 다른 각도에서 보면 두 성분이 모두 존재하지만 더 강한 성분 때문에 편광필터를 통해 보면 부분 편광되어 있음을 알 수 있다.

편광이 가장 강한 방향은 태양과 90°를 이루고 있는 지역이기 때문에 해가 뜰 때나 질 때 우리의 머리위에서 편광을 가장 폭넓게 볼 수 있다. 하늘빛이 편광되어 있음은 편광필터를 통해 그리고 편광필터를 회전시켜 봄으로써 관측할 수 있다. 다른 영역의 하늘빛은 편과의 각도에 관계하여 다른 각도로 투과된다. 벌과 같은 벌레들은 편광된 하늘빛을 탐지하여 날아가는 방향을 결정하는 것으로 알려져 있다.

 

￭ 왜 하늘은 푸른가?

영국의 물리학자 레일리(Sir Rayleigh, 1842∼1919)

 

공기분자에 의한 햇빛의 산란으로 인해 하늘빛은 푸르다. 이 효과는 편광과는 관계없고 선택적 흡수와 관련되어 발생한다. 진동자로써 공기분자는 파랑-보라색 영역의 공명진동수를 가지고 있다.

그래서 햇빛이 산란될 때 가시광선의 스펙트럼에서 붉은색 영역보다 푸른색 영역이 더 많이 산란된다. 공기분자 입자들 같이 지름이 빛의 파장보다 매우 작은 입자들에서 산란된 빛의 세기는 파장의 4제곱에 반비례(1/lambda^4 )한다. 파장과 산란된 빛의 세기와의 관계를 나타내는 이 관계식을 만족하는 산란은 이 식을 유도한 영국의 물리학자 레일리의 이름을 붙여 레일리 산란이라 한다

이런 역관계에서 가시광선의 스펙트럼에서 파장이 짧은 푸른색 쪽의 빛이 파장이 긴 붉은색의 빛보다 더 많이 산란되는 것을 예상할 수 있다. 산란된 푸른빛은 대기에서 다시 재산란이 일어나 결국 땅까지 오게 된다. 이런 기작 원리로 왜 하늘이 푸른가에 대한 이유를 설명 할 수 있다.

 

￭ 왜 해 뜰 때와 해 질 때 하늘은 붉은가?

대. 붉은 하늘은 대기 중의 기체에 의한 산란과 작은 고체 입자들에 의해 생긴다. 붉은 색의 태양을 맨눈으로 볼 수 있는 것은 스펙트럼의 푸른색 쪽 영역의 빛이 산란되었기 때문이다.

 

아름다운 붉은 석양과 여명을 자주 볼 수 있다. 태양이 지평선 부근에 있을 때 햇빛은 지구표면의 더 밀도가 높은 대기를 더 길게 통과하게 된다. 그 결과 빛은 더 많이 산란되기 때문에 우린 가장 산란이 덜 되어 지구 표면에 도달하는 붉은색의 빛을 보게 된다. 이것이 붉은 노을의 이유이다.

그러나 백색광을 공기분자만의 산란으로 인해 생기는 지배적인 색은 주황색이다. 그러므로 태양이 뜰 때와 질 때의 붉은색으로의 이동은 다른 종류의 산란이 작용한 것이다. 붉은 노을은 대기의 공기와 동시에 작은 먼지입자들에 의해 햇빛이 산란되기 때문이라는 것이 밝혀졌다.

이 입자들이 푸른 하늘색의 필수조건은 아니지만 짙은 붉은색의 여명이나 노을에는 필수적이다. (화산이 폭발한 후 장엄한 노을이 수개월 동안 지속되는데 이는 대기 중에 엄청난 양의 작은 입자들이 있기 때문이다.) 붉은 노을은 서쪽 방향에 고기압의 기단이 있을 때 발생하는데 이는 저기압일 때 보다 고기압일 때 먼지의 밀도가 더 높기 때문이다. 마찬가지로 붉은색의 여명은 대부분 동쪽에 고기압의 기단이 자리 잡았을 때 생긴다.