우리가 즐겨부르던 동요 ‘아기염소’의 한 부분이다. 가사처럼 파란 하늘에 초록빛 잔디밭과 그 위에서 뛰어노는 하얗거나 까만 염소들의 모습은 상상만으로도 한 폭의 그림이다.
가끔 하늘을 올려다보면 그 푸른 빛깔이 참 신기하다. 어떻게 그렇게 푸른빛을 보일 수 있을까. 그런데 하늘의 색이 푸르기만 한 것도 아니다. 해가 뜰 때와 질 때, 태양 주위로 온통 붉게 물들어버린 하늘은 또 다른 모습을 선사한다. 반면에 달에서 본 하늘 사진에서 달의 하늘은 온통 까맣다. 다채로운 지구의 하늘과는 사뭇 대비된다. 왜 달에서의 하늘은 지구처럼 파란 하늘이 아닐까.
그 이유는 대기와 관련이 있다. 더 정확히 말하면 대기 중에서 일어나는 빛의 산란과 관련이 있다. 산란이란 빛이나 소리의 파동 입자선이 원자·분자 또는 대기 중에 부유하는 에어로졸과 같은 물질 입자에 부딪혀서 운동 방향을 바꾸거나 흩어지는 현상을 말한다. 산란이 얼마나 강하게 되는지, 산란되는 각도가 어느 정도인지는 빛의 파장과 산란을 일으키는 입자의 상대적인 크기에 따라서 달라진다.


가시광선과 산란



가시광선은 인간의 눈이 인식할 수 있는 빛이다. 무지개를 생각하면 바로 떠오르는 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라 등의 색을 나타내는 파장이 가시광선이다. 빨강의 파장이 가장 길며 보라의 파장이 가장 짧다. 파장이 짧다는 말은 갖고 있는 에너지가 크다는 의미이기도 하다. 보라색 파장의 에너지가 가장 크며 빨강의 파장이 에너지가 작다. 인간의 눈이 어떤 대상의 색을 인식할 수 있는 건 가시광선 중에서 해당 색의 파장만 반사돼 눈까지 도달하기 때문이다.
가시광선이 인간의 눈까지 도달하기 위해서는 대기를 통과해야 한다. 하지만 대기 중에는 수많은 입자가 존재한다. 가시광선은 이들 입자에 부딪히며 산란하게 된다. 파장에 따라 산란의 정도는 달라지는데 가시광선의 파장은 대기 중 입자의 반경보다 훨씬 크다. 따라서 파장이 짧을수록 산란되는 강도는 커진다. 공을 바닥에 튀길 때, 힘을 많이 가할수록 공이 강하게 튀어 오르는 걸 생각하면 된다. 가시광선 중에서 파란빛의 파장은 붉은빛의 파장보다 짧기 때문에 더 강하게 산란한다. 이 산란된 빛이 우리 눈에 도달하기 때문에 하늘이 푸르게 보이는 것이다.
한편, 파란색 빛의 파장보다는 보라색 빛의 파장이 더 짧지만, 보라색 빛은 보이지 않는다. 보라색 빛의 파장이 가장 짧으니 강하게 산란될 텐데, 더 잘 보여야 하는 게 아닐까. 그 이유는 대기의 두께에 있다. 보라색 빛이 대기를 통과하기에는 지구 대기가 너무 두껍다. 그래서 보라색 빛은 우리 눈에 도달하기도 전에 산란돼 눈에 보이지 않는 것이다. 만약 보라색 빛의 파장과 파란색 빛의 파장이 서로 바꼈다면 우리는 보랏빛 하늘을 감상하고 있었을 것이다. 우리의 눈에도 비밀이 숨어있는데, 우리 눈에서 좀 더 잘 감지하는 색깔이 푸른색이다. 그래서 푸른 하늘로 보이는 것이다.



산란하는 입자의 크기가 작은 경우, 레일리 산란

해가 뜨고 질 때 하늘이 붉게 물드는 이유도 이와 비슷한 이유이다. 해가 뜨거나 질 때는 다른 때와 달리 빛이 대기 중을 통과하는 거리가 길어진다. 빛이 통과하는 동안 보라색 빛은 물론이고 파란색 빛도 산란한다. 최종적으로 우리 눈까지 도달하는 빛은 주황, 빨강 등 파장이 긴 빛이다. 그래서 우리는 해질녘에 붉은 노을을 바라볼 수 있다.
이와 같은 산란을 레일리 산란(Rayleigh Scattering)이라고 한다. 레일리 산란은 파장이 산란을 일으키는 입자의 크기보다 큰 경우로 이때 산란된 빛의 강도는 빛의 파장의 4제곱에 반비례한다. 빛의 파장이 짧을수록 산란이 많이 일어나는 것이다.


산란하는 입자의 크기가 비슷한 경우, 미 산란

맑은 날씨에 탐스럽게 피어오른 하얀 뭉게구름은 푸른 하늘만큼이나 인상 깊다. 이보다 더 하얘질 수 없다고 말하는 듯 깨끗하고 하얀 뭉게구름을 보노라면 달콤한 솜사탕이 떠오른다. 구름이 하얗게 보이는 건 왜 그럴까. 이를 설명해주는 산란이 미 산란(Mie Scattering)이다. 미 산란은 파장과 산란을 일으키는 입자의 크기가 비슷한 경우로 모든 파장이 비슷하게 산란을 일으킨다. 이때 산란된 빛은 어느 한 파장이 도드라지지 않아서 태양광선처럼 흰색에 가깝다.
미 산란을 일으킨 산란광의 강도는 파장에 반비례한다. 미 산란으로 인한 산란광의 강도는 레일리 산란으로 인한 산란광의 강도보다 파장에 대해 상대적으로 자유롭다. 바다는 푸른데 파도의 색은 흰색인 이유도 미 산란 때문이다. 파도가 해변에 부딪히면서 크기가 다양해진 물방울들이 모든 파장의 빛을 산란하면서 흰색으로 보이는 것이다. 이외에도 대기 중에 에어로졸이 많은 날 하늘을 보면 하늘이 온통 뿌옇게 변한 이유도 미 산란으로 설명할 수 있다.
푸른 하늘과 하얀 뭉게구름, 부서지는 파도 속에는 빛의 산란이라는 비밀이 숨어 있다.