하늘은 왜 푸른색일까?
높고 푸른 가을 하늘을 바라보면 푸른 하늘 속에 빠져들고 싶다는 생각이 들 때가 있다. 하늘은 그만큼 신비롭고 호기심의 대상이 되어왔다. 예전부터 여러 과학자, 철학자들은 푸른 하늘의 원인을 밝히려고 노력해 왔다. 레오나르도 다 빈치, 뉴턴 등 당대의 유명한 과학자들도 원인을 밝히려고 했다. 그 원인은 19세기말에 밝혀졌다. 우리가 보는 하늘색이 푸른 이유는 빛의 산란 때문이었다. 어두운 공간에서 손전등을 벽을 향하여 비추어보자. 그때 우리른 빛이 지나가는 모습일 볼 수 있다. 손전등의 빛이 나아가면서 주변에 떠 있는 먼지들에 산란되면서 빛이 퍼지게 된다. 그러나 진공 상태에서는 이런 모습을 볼 수 없다. 진공 상태에서는 산란 작용이 없기 때문에 빛의 궤적을 구분하는 건 불가능하다. 백색인 태양광 아래에서는 무지개의 색깔들이 섞여있다. 태양광은 대기를 지나가면서 대기 속에 존재하는 여러 성분들에 의해 산란된다. 그렇게 산란된 빛은 하늘 골고루 퍼지게 된다. 구름도 마찬가지이다. 구름 속을 통과하는 태양빛은 구름 속 성분들에 의해 여러 방향으로 퍼진다.
대기는 산소, 질소 등 여러 분자와 미세먼지 처럼 아주 작은 입자들로 구성되어 있다. 이 입자들은 빛의 파장보다 작다. 영국의 과학들이 빛이 산란되는 과정을 연구하면서 알아낸 사실이 있다. 파장이 짧은 빛이 파장이 긴 빛보다 더 강하게 산란되는 현상을 발견한 것이다. 파란색은 붉은색보다 파장이 짧다. 하늘이 파랗게 보이는 이유는 여기 있다. 대기를 통과하는 빛이 산란되면서 파장이 짧은 파란색이 더 많이 산란되어 퍼진다. 그 빛이 우리 눈에 보이는 것이다. 그러면 달에서는 하늘이 어떻게 보일까? 달은 공기가 없기 때문에 달 상공의 빛은 산란되지 않는다. 산란되는 빛이 없으므로 달의 하늘은 검은색이다. 지구만이 파란색 하늘을 가진 건 아니다. 토성도 대기가 빛을 산란시켜 푸른 하늘을 만든 것이다. 지구는 대기의 질소나 산소등이 산란 작용을 한다. 토성의 산란 작용은 수소에 의해서 일어난다.
붉은 노을
빛의 산란이 만들어 내는 또 다른 하늘이 있다. 붉은 노을이 그것이다. 푸른 하늘의 쌍둥이라 생각하면 된다. 태양의 고도가 낮아지는 일출 무렵 두터운 대기층을 비스듬하게 통과한다. 두터워진 대기층을 통과하면서 파란색을 산란 되어 퍼지면서 세기가 낮아진다. 반면 산란 정도가 낮은 붉은빛은 두터운 대기를 통과하여 붉은 노을을 만들게 된다. 푸른 하늘과 붉은 하늘이 같은 빛에 의해서 이루어지는 신비한 과정이다.
지구 대기권에 들어은 빛은 상층부에서 부터 아래로 내려올수록 굴절률이 커지게 된다. 노을은 바라보는 사람들의 눈에는 굴전 된 빛들이 보이게 된다. 그러나 사람들은 빛이 직선의 형태로 존재한다고 믿고 있다. 즉 빛의 굴절 때문에 태양의 위치는 우리가 눈으로 보는 것과 조금 다르다. 이 말은 우리가 눈으로 보는 수평선에 걸쳐진 태양은 이미 수평선 밑으로 내려간 것이다.