[궁금한S] 하늘이 파랗게 보이는 이유는?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 마음이 답답할 때 하늘을 바라보면 기분이 나아지곤 하는데요.

하늘이 파랗게 보이는 것에도 과학적인 이유가 숨어 있다고 합니다. 그 이유가 무엇인지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

얼마 전까지 하늘을 가득 메웠던 미세먼지가 걷히고, 쾌청한 날씨가 이어지고 있습니다. 오랜만에 보는 파란 하늘에 따뜻한 바람까지 더해져 기분까지 설레는데요. 벤치에 가만히 앉아 맑고 푸른 하늘을 바라보기만 해도 행복해지지만, 한 번쯤 이런 궁금증을 가진 분들 있을 것 같아요. 하늘이 파랗게 보이는 이유는 무엇일까요?

하늘이 파란 이유를 설명하기 위해서는 빛의 성질부터 이해할 수 있어야 합니다. 빛의 대표적인 성질 중 하나인 '빛의 산란' 대해서 알아보도록 하겠습니다.

'Light Scattering', 빛의 산란이란 항상 공간 내에서 최단 시간을 따라 이동하려는 빛의 대표적인 특징인데요. 직진성을 가지고 있는 빛이 거친 표면이나 아주 작은 입자들에 의해 사방으로 흩뿌려지게 되는 현상을 의미합니다. 시공간이 휘어있지 않은 이상 빛은 본질적으로 직진하는 성질을 가지고 있는데요. 그래서 빛이 만들어지고 있는 광원으로부터 방출될 때 애초부터 사방팔방 모든 방향으로 방출되지 않는 이상, 우리는 그 빛의 줄기를 두 눈으로 절대 볼 수 없습니다. 대표적인 예로 레이저의 경우, 빛이 한 방향으로만 방출되기 때문에 우리는 레이저가 지나가는 경로를 볼 수 없죠.

하지만 이렇게 직진성을 가진 레이저 빛줄기도 경로 상에 어떠한 물질을 흩뿌리게 되면, 그 물질의 표면 등을 통해 직진하던 빛이 사방팔방으로 흩뿌려지게 되고 그렇게 되면 비로소 레이저가 진행하고 있는 경로를 볼 수 있게 됩니다.

이처럼 빛을 사방팔방으로 흩뿌리는 물체를 빛을 산란시키는 대상이라는 의미의 scatterer, 산란자라고 부르며 이 산란자는 물분자, 물체의 울퉁불퉁한 표면, 또는 대기 중에 부유하고 있는 작은 입자 등 우리 주변에서 아주 손쉽게 만날 수 있습니다. 이 산란자들이 빛을 사방팔방으로 산란시키게 되었을 경우에만, 산란된 빛의 일부분이 우리 눈으로 들어오게 되었을 경우에만 우리는 물체, 풍경, 도시 등 일상 속 수많은 대상을 볼 수 있는 것입니다.

여기서 재미있는 것은 일반적으로 이렇게 빛을 산란시키는 과정에서 물질은 구성 성분에 따라 특정한 색깔 영역의 빛을 흡수한다는 것입니다.

대표적으로 사과를 예로 들어볼까요? 빛이 사과 표면에 도달하게 되면, 놀랍게도 그 표면에서 파란색 계열의 빛과 녹색 계열의 빛이 사과 속으로 흡수되게 되며 붉은색 계열의 빛들은 사방팔방으로 산란이 일어나게 됩니다. 그렇기 때문에 우리의 눈에는 잘 익은 사과가 빨간색으로 보이는 것이며, 이처럼 색깔을 가지고 있는 모든 물체는 앞선 과정처럼 특정한 색깔 영역의 빛을 흡수, 반사하기 때문에 각각 고유한 색깔들을 지닐 수 있는 것입니다.

그렇다면 이러한 물체들과 마찬가지로, 하늘이 파란색으로 보이는 이유는 다른 색깔 영역의 빛은 흡수시키고, 파란색 영역의 빛을 산란시키기 때문일까요? 이에 대한 답은 반은 맞고, 반은 틀렸다고 할 수 있습니다.

많은 자연 철학자들이 하늘이 파란색으로 보이는 이유에 대해 많은 연구와 가설을 제시했는데요. 이 현상에 대해 가장 깔끔하고 정확하게 설명한 과학자가 바로 존 윌리엄 스트럿 레일리 3대 레일리 남작 경입니다.

레일리는 가시광선, 즉 빛이 가지고 있는 파장보다도 작은 미립자는 빛을 산란시킬 수 있다는 사실을 이론적으로 발견해내는데요. 이러한 요인에 의해 빛이 산란하는 현상을 우리는 레일리 산란이라고 부릅니다. 레일리 산란에 따르면 파장이 짧은 파란색 빛은 대기 중의 미립자들, 즉 대기 상층을 이루고 있는 입자들에 의해 사방팔방으로 산란이 일어나게 됩니다. 이 때문에 태양으로부터 출발해 지구로 들어오는 빛은 대기층에 부딪히게 되면서 태양 빛의 파란색 영역을 사방팔방으로 산란시키게 되고 이러한 이유 때문에 우리는 파란색 빛이 하늘을 가득 채우게 되는 것입니다. 같은 이유로 대기가 없는 달 표면에서 바라본 하늘은 산란시킬 입자가 없기 때문에 어두컴컴한 우주를 그대로 볼 수 있는 것입니다.

하늘을 붉게 만드는 노을도 바로 빛의 산란에 의한 것입니다. 해 질 무렵 태양 빛이 지구에 도달하는 거리는 낮보다 훨씬 길어지게 되고, 우리 눈에 도달하기 전에 이미 파란색 빛은 산란해서 사라지게 됩니다. 파장이 긴 붉은 빛이 대기층에 많이 존재해 우리 눈 속에 들어오기 때문에 해질 녘의 하늘은 붉게 보이는 것이죠.

바다의 색깔도 비슷한 사례의 예인데요. 빛이 바닷물을 통과할 때 파장이 긴 붉은 계열은 안쪽으로 흡수되고 파란 계열이 표면으로부터 반사되기 때문에 파란색을 띠는 것입니다. 바다가 깊어질수록 검게 보이는 것은 빛이 모두 흡수되었기 때문이죠.

오늘은 하늘이 파란 이유에 대해 알아봤는데 어떠셨나요?

우리는 매일 다양한 것을 보면서 살고 있지만, 눈에 보이는 사물은 크게 두 가지로 나눌 수 겠네요. 태양이나 전구처럼 스스로 빛을 내는 것도 있지만, 제가 입고 있는 옷이나 오렌지처럼 주변의 빛을 받아 반사 시키는 것도 있답니다. 스스로 빛을 내지 못하는 어떤 물체가 특정한 색깔을 가지는 이유는 바로 빛의 산란 때문이었다는 것! 이제 아시겠죠? 그럼 <궁금한 S>도 이만 인사드릴게요~

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!