하늘이 파란이유는 무엇일까? 레이리 산란법칙

구름한점 없는 파란 하늘은 너무 매력적이고 아름답습니다. 그러다 새하얀 구름 한 웅큼 지나갈 때면 더욱 더 매혹적인 하늘을 볼 수 있는데요 그렇다면 왜 하늘은 파란 것일까? 궁금해 집니다. 오늘은 하늘이 파란 이유를 과학적으로 어떻게 설명하고 있는지 알아보도록 하겠습니다. 

 

결론적으로 말씀드리자면 하늘이 파란 이유는 레이리 산란(Rayleigh scattering)이라는 현상 때문입니다. 이 현상은 빛이 대기 중의 작은 입자들에 의해 산란되는 과정을 설명하고 있습니다.

 

다양한 색깔이 공존하는 하늘

레이리 산란 (Rayleigh Scattering)

 

레이리 산란은 빛이 대기 중의 작은 입자들에 의해 산란되는 현상입니다. 이 현상은 빛의 파장과 입자의 크기에 따라 달라집니다. 태양빛은 여러 가지 색깔의 빛으로 구성되어 있으며(가시광선), 각 색깔의 빛은 서로 다른 파장을 가지고 있습니다.

이 중에서 파장이 짧은 빛(파란색과 보라색)이 파장이 긴 빛(빨간색과 노란색)보다 더 많이 산란됩니다.
대기의 분자들은 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며, 이 분자들은 파장이 짧은 빛을 더 많이 산란시킵니다. 따라서 태양빛이 대기를 통과할 때, 파란색 빛이 다른 색깔의 빛보다 더 많이 산란되어 하늘이 파랗게 보이게 됩니다.

파란색과 보라색 빛의 산란

태양빛 중에서 파란색과 보라색 빛은 파장이 짧다고 앞서 알려드렸는데 파란색 빛의 파장은 약 450~495 나노미터(nm), 보라색 빛의 파장은 약 380~450 나노미터(nm)입니다. 반면에 빨간색 빛의 파장은 약 620~750 나노미터(nm)로 더 깁니다

레이리 산란 법칙에서 파장은 매우 중요한 역할을 하는데 그 이유는 레이리 법칙에 따르면, 빛의 산란 강도는 파장의 네 제곱에 반비례하기 때문입니다. 즉, 파장이 짧을수록 더 많이 산란됩니다. 이 때문에 파란색과 보라색 빛이 빨간색 빛보다 훨씬 더 많이 산란됩니다.

 

레이리 산란법칙의 공식

레이리 산란법칙의 기본 공식은 다음과 같습니다:

여기서:

(I): 산란된 빛의 강도입니다. 이는 관측자가 보는 산란된 빛의 세기를 나타냅니다.
(I_0): 입사 빛의 강도입니다. 이는 산란되기 전의 원래 빛의 세기를 나타냅니다.
(\theta=쎄타): 산란 각입니다. 이는 입사 빛과 산란된 빛 사이의 각도를 나타냅니다.
(R): 관측자와 산란 입자 사이의 거리입니다. 이는 산란된 빛이 관측자에게 도달하기까지의 거리를 나타냅니다.
(\lambda=람다): 빛의 파장입니다. 이는 빛의 색깔에 따라 달라지며, 파장이 짧을수록 산란이 더 많이 일어납니다.
이 공식은 빛의 산란 강도가 파장의 네 번째 제곱에 반비례한다는 것을 보여줍니다. 즉, 파장이 짧을수록 산란 강도가 매우 커집니다. 이 때문에 파란색과 보라색 빛이 빨간색 빛보다 훨씬 더 많이 산란됩니다.

 

아름답기만 한 파란 하늘이 과학적으로 따져보면 위와 같은 이유에서 그렇게 보인다고 합니다. 그 이유를 알게 되었지만 그래도 파란하늘은 우리에게 많은 영감과 아름다음을 주는 자연의 선물 임을 느끼게 됩니다.