하늘이 파란 이유는?
사실을 알고나면 또 달라집니다
맑은 날 하늘을 올려다보면 파랗습니다.
당연한 말처럼 들립니다. 그런데 이 당연함이 사실은 꽤 복잡한 사연을 품고 있습니다. 하늘이 파란 이유를 처음 제대로 이해했을 때, 오히려 그 이전보다 더 신기하게 느껴졌습니다. 설명이 경이로움을 지우는 것이 아니라 오히려 더 쌓아준다는 것, 그것이 2부에서 하고 싶은 이야기입니다.
우선 빛 이야기부터 해야 합니다. 우리가 볼 수 있는 가시광선 태양빛은 여러 파장의 빛이 섞인 백색광입니다. 무지개에서 보이는 것처럼 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 보라가 모두 하나로 섞여 있습니다. 빛의 파장은 파란빛이 약 450나노미터, 빨간빛이 약 700나노미터로, 우리 눈에 보이는 가시광선의 범위가 대략 이 사이입니다. 참고로, 1나노미터는 1미터의 10억분의 1입니다. 머리카락 굵기가 대략 8만 나노미터 정도이니, 가시광선의 파장이 얼마나 짧은지 감이 잡힐 것입니다.
이 빛이 지구 대기를 통과할 때 공기 분자들과 마주칩니다. 대기의 대부분을 차지하는 것은 질소 분자와 산소 분자입니다. 질소 분자의 크기는 약 0.36나노미터, 산소 분자는 약 0.35나노미터입니다. 파란빛의 파장이 약 450나노미터이니, 공기 분자는 빛의 파장보다 약 1,000배 작습니다. 이 크기 차이가 핵심입니다.
빛이 어떤 입자와 부딪혔을 때 어떻게 산란되는지는 빛의 파장과 그 입자의 크기 비율에 따라 완전히 달라집니다. 입자가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때 일어나는 산란을 레일리 산란(Rayleigh scattering)이라고 합니다. 19세기 영국의 물리학자 레일리 경이 수학적으로 정리한 이 산란에서는 산란의 세기가 파장의 네제곱에 반비례합니다. 이것이 결정적인 차이를 만들어냅니다. 파장이 짧아질수록 산란이 기하급수적으로 강해지는 것입니다. 파란빛은 빨간빛보다 파장이 약 1.6배 짧은데, 파장의 네제곱으로 따지면 산란 세기의 차이가 약 여섯에서 열 배에 달합니다. 따라서, 태양에서 지구로 들어오는 빛이 대기를 통과하는 동안 파란빛은 빨간빛보다 훨씬 더 강하게 사방으로 흩어집니다. 그 흩어진 파란빛이 하늘 전체에 퍼지면서 어느 방향을 봐도 파란빛이 눈에 들어오게 됩니다. 그것이 바로 우리가 보는 파란 하늘입니다.
그 흩어진 파란빛이 하늘 전체에 퍼지면서 어느 방향을 봐도 파란빛이 눈에 들어오게 됩니다. © Getty Images이쯤에서 한 가지 흥미로운 질문이 생깁니다. 파란빛보다 파장이 더 짧은 것이 보라빛입니다. 그렇다면 레일리 산란이 더 강하게 일어나는 보라빛으로 하늘이 가득 차야 하지 않을까요. 하늘은 왜 보라색이 아니라 파란색일까요. 이유는 두 가지입니다. 태양빛 자체에 보라빛이 파란빛보다 적게 포함되어 있고, 인간의 눈이 보라빛보다 파란빛에 훨씬 민감합니다. 우리 눈의 색수용체가 파란빛 파장에 더 강하게 반응하도록 설계되어 있습니다. 산란은 보라빛이 더 많이 일어나지만, 우리 눈이 그것을 상대적으로 덜 인식합니다. 결국 하늘이 파랗게 보이는 것은 빛의 물리학과 인간 눈의 생물학이 함께 만들어낸 결과입니다.
또 한가지, 입자가 빛의 파장과 비슷하거나 더 커지면 이야기가 달라집니다. 이것을 미 산란(Mie scattering)이라고 합니다. 독일의 물리학자 구스타프 미가 수학적으로 정리한 이 산란은 파장에 대한 의존성이 훨씬 약합니다. 모든 파장의 빛이 비슷한 정도로 산란됩니다. 대기 중에 물방울이나 먼지 같은 상대적으로 큰 입자들이 많아지면 미 산란이 우세해집니다.
구름을 이루는 물방울의 크기는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터로, 가시광선 파장보다 훨씬 큽니다. © Getty Images구름이 하얗게 보이는 이유가 바로 이것입니다. 구름을 이루는 물방울의 크기는 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터로, 가시광선 파장보다 훨씬 큽니다. 이 물방울들이 모든 파장의 빛을 비슷하게 산란시키기 때문에 빨강, 파랑, 초록 모두 섞여 하얗게 보입니다. 미세먼지가 심한 날 하늘이 뿌옇고 탁하게 보이는 것도 같은 원리입니다. 먼지 입자들이 미 산란을 일으켜 모든 파장의 빛을 고르게 흩어버리기 때문입니다. 그래서 맑고 건조한 날에는 레일리 산란이 우세해 하늘이 선명한 파란색으로 보이지만, 습도가 높거나 먼지가 많은 날에는 미 산란이 섞이면서 하늘색이 옅어지거나 하얗게 흐려집니다.
이 사실들을 알고 나서 하늘을 바라볼 때 무언가가 달라집니다. 저 파란색이 지구 대기 분자들, 즉 빛의 파장보다 1,000배 작은 그 분자들이 짧은 파장의 빛을 사방으로 흩뿌리는 동안 긴 파장의 빛들은 그대로 통과하면서 만들어진 것이라는 것을 생각하게 됩니다. 그리고 구름이 하얀 것이 같은 빛이 다른 크기의 입자를 만났을 때의 결과라는 것도 함께 떠오릅니다. 파란 하늘과 흰 구름이 같은 물리 법칙의 두 가지 표현이었다는 것, 알고 나면 하늘을 볼 때의 깊이가 달라집니다.
과학을 모르고 하늘을 보면 아름답습니다. 하지만, 과학을 알고 하늘을 보면 그 아름다움에 이유가 더해집니다. 그리고 그 이유가 아름다움을 빼앗는 것이 아니라 오히려 한 겹 더 쌓아줍니다. 더 많이 알수록 더 많은 질문이 생기고, 그 질문들이 다시 새로운 발견으로 이어집니다. 설명이 끝나도 경이로움은 사라지지 않습니다. 오히려 깊어집니다. 이것이 과학을 오래 하면서 가장 확실하게 알게 된 것 중 하나이고, 2부 전체를 관통하는 이야기입니다.