왜 하늘은 파란색일까?

1.1 개요

지구상에서 살아가는 인간이라면 누구나 한 번쯤 품어봤을 법한 가장 클래식한 과학적 의문 중 하나다. 맑은 날 야외로 나와 위를 올려다보면 하늘이 푸른빛을 띠고 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 단순히 '공기 색이 파란색이라서'가 아니다. 실제로는 태양 빛과 지구 대기 성분, 그리고 인간의 시각 구조가 합쳐져 만들어낸 기하학적인 광학 현상이다. 우주 공간에서 바라보는 하늘(우주)이 밤낮없이 까만색이라는 점을 떠올려 보면, 이 현상이 오직 '대기가 존재하는 행성'에서만 일어나는 독특한 이벤트임을 알 수 있다.^{[1]지무비나 SF 영화에서 우주선 창밖으로 밤하늘처럼 새까만 배경에 태양만 밝게 떠 있는 연출이 나오는 이유다.}

1.2 레일리 산란과 파장의 관계

하늘이 파란 이유를 설명할 때 가장 먼저 등장하는 물리 법칙이 바로 레일리 산란이다. 태양에서 방출되어 지구에 도달하는 빛은 보기에는 단순한 흰색(백색광)처럼 보이지만, 실제로는 빨주노초파남보라의 모든 무지개색 파장이 섞여 있다. 이 중 빨간색 계열은 파장이 길고, 파란색 계열은 파장이 짧다.

태양 빛이 지구를 둘러싸고 있는 산소, 질소 등의 대기 분자들과 충돌하면 빛이 사방으로 튕겨 나가는 산란 현상이 발생한다. 이때 파장이 짧은 빛일수록 대기 분자에 부딪혀 더 넓고 강하게 산란되는 성질을 가진다.

영국의 물리학자 레일리 경이 밝혀낸 바에 따르면, 빛의 산란 강도는 파장의 4제곱에 반비례한다.^{[2]https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspl.1871.0019 — 존 윌리엄 스트럿(레일리 경)은 1871년 발표한 논문에서 빛의 산란 강도가 파장의 4제곱에 반비례한다는 수식을 정립했다.} 쉽게 말해 파장이 짧은 파란색 빛은 파장이 긴 빨간색 빛보다 대기 중에서 무려 몇 배나 더 강하게 사방으로 흩뿌려진다. 이 흩뿌려진 파란색 빛이 우리 눈에 들어오기 때문에 하늘 전체가 파란색으로 도배되어 보이는 것이다.

1.3 보라색이 아닌 파란색인 이유

과학적 사실을 조금 더 깊게 파고들면 한 가지 의문이 생긴다. 빛의 스펙트럼상 파장이 가장 짧은 색은 파란색이 아니라 보라색이다.^{[3]실제로 보라색 빛의 파장은 약 380~450nm 수준으로 파란색(약 450~495nm)보다 짧아 물리적 산란 자체는 훨씬 강하게 일어난다.} 산란 공식대로라면 하늘은 파란색이 아니라 보라색이어야 맞다. 실제로 태양 빛이 대기에 들어올 때 보라색 빛이 파란색 빛보다 더 많이 산란된다.

그럼에도 불구하고 우리 눈에 하늘이 파랗게 보이는 데에는 두 가지 결정적인 이유가 있다.

첫째는 태양 빛 자체의 성분 차이다. 태양이 내뿜는 빛의 에너지 영역대 중에서 보라색 영역의 비율은 파란색 영역의 비율보다 훨씬 적다. 즉, 원재료부터 파란색 빛이 더 많이 들어오는 셈이다.

둘째는 인간 눈의 생물학적 한계 때문이다. 인간의 망막에는 색을 감지하는 원추세포가 존재하는데, 이 세포는 파란색, 초록색, 빨간색에 주로 반응한다. 인간의 시각 시스템은 보라색 파장에 대한 감도가 파란색 파장에 비해 현저히 떨어진다. 결과적으로 대기 중에서 보라색과 파란색이 섞여 산란되더라도, 인간의 뇌는 이를 뇌피셜로 '파란색'이라 인식하게 된다.^{[4]인간의 눈에 존재하는 S-원추세포가 파란색 영역에 훨씬 예민하게 반응하여, 실제 섞여 들어오는 보라색을 뇌가 파란색 중심으로 합쳐서 처리하는 착시 현상이다.}

1.4 노을이 붉은 이유와의 연관성

하늘이 파란 원리를 역으로 뒤집으면 해 질 녘 노을이 붉게 물드는 현상도 깔끔하게 설명된다.

낮에는 태양이 머리 위에 위치하여 빛이 대과하는 대기층의 두께가 비교적 얇다. 따라서 파란색 빛이 적당히 산란되어 하늘을 파랗게 채운다.

반면 낮이 지나 해가 지는 저녁 시간이 되면, 태양 빛은 사선으로 비스듬하게 들어오면서 인간의 눈에 도달하기까지 지나야 하는 대기층의 길이가 훨씬 길어진다. 이 긴 대기층을 통과하는 동안 파장이 짧은 파란색 빛은 관측자의 눈에 도달하기 전에 이미 사방으로 다 산란되어 소멸해 버린다. 결국 산란을 잘 일으키지 않고 끝까지 살아남은 길고 긴 파장의 붉은색, 주황색 빛만이 관측자의 눈에 도달하여 저녁 하늘을 붉게 물들이는 것이다.

1.5 다른 행성의 하늘색

이러한 현상은 지구 대기 조성에 의존하기 때문에, 대기 성분이 다른 다른 행성에서는 하늘색이 전혀 달라진다.

대표적으로 화성의 경우 지구보다 대기가 훨씬 희박하고, 대기 중에 미세한 산화철(녹슨 철) 먼지가 대량으로 떠다닌다. 이 먼지 입자들은 대기 분자보다 훨씬 크기 때문에 레일리 산란이 아닌 미 산란(Mie scattering)이라는 다른 형태의 산란을 일으킨다. 이로 인해 화성의 낮 하늘은 붉은색이나 갈색을 띠게 된다.

재미있게도 화성의 해질녘 노을은 지구와 반대로 파란색이다.^{[5]https://mars.nasa.gov/resources/25010/blue-sunset-on-mars — NASA의 화성 탐사선 탐사 대원들이 전송해 온 사진에 따르면 화성의 일몰은 태양 주변이 몽환적인 푸른빛으로 물드는 모습을 보인다.} 해가 질 때 태양 빛이 두꺼운 먼지층을 통과하면서 파란색 빛이 직진하여 관측자의 눈에 들어오기 때문이다. 즉, 지구와 화성은 하늘색과 노을색이 서로 완벽하게 반대되는 관계에 있다.

2.1 우주에서 바라본 지구 하늘의 가시성

지구 내부에서 보는 하늘은 맑은 날 푸른색을 띨 뿐만 아니라 하늘 전체가 환하게 빛난다. 이는 대기 입자에 의해 빛이 모든 방향으로 산란되는 대기 산란 현상 때문이다. 반면, 달이나 수성처럼 대기가 거의 없는 천체에서는 태양이 떠 있더라도 빛을 산란시킬 입자가 없어 하늘이 항상 칠흑 같은 검은색으로 보인다. 대기가 산란을 일으켜 빛을 퍼뜨리는 일종의 '스크린' 역할을 하기 때문에 지구에서는 낮 동안 별이 보이지 않는 환한 푸른 하늘을 관찰할 수 있는 것이다.

2.2 산란 법칙의 한계와 바이올렛의 역설

빛의 산란율은 파장의 4제곱에 반비례한다는 레이리 산란(Rayleigh scattering) 법칙에 따르면, 파장이 가장 짧은 보라색(약 400nm)이 푸른색(약 450nm)보다 훨씬 더 강하게 산란된다. 물리 법칙만 따르면 하늘은 보라색이어야 함에도 푸른색으로 보이는 이유는 인간의 시각적 특성 때문이다. 인간의 눈에 있는 원추세포는 푸른색 파장에 가장 민감하게 반응하며, 태양광 자체도 보라색 영역보다는 푸른색 영역의 에너지 방출량이 더 많다. 즉, 물리적 산란 현상과 생물학적 감각계의 상호작용이 만들어낸 결과물인 셈이다.

2.3 외계 행성의 하늘색 결정 요인

하늘의 색은 항성의 주된 광원 파장과 행성 대기 구성 물질에 의해 완전히 달라진다. 화성의 경우 대기가 매우 옅어 대기 입자에 의한 레이리 산란보다 미세한 산화철 먼지 입자에 의한 미 산란(Mie scattering)이 지배적으로 작용한다. 이로 인해 화성의 낮 하늘은 붉은색이나 황갈색을 띠며, 반대로 태양이 질 때는 빛이 두꺼운 먼지층을 통과하면서 태양 주위가 푸른빛을 띠는 '붉은 낮과 푸른 노을'이라는 기묘한 현상이 발생한다.

2.4 대기 오염과 색조의 상관관계

대기 중 수증기나 미세먼지, 공해 물질 등 직경이 큰 입자가 증가하면 레이리 산란 대신 입자의 크기와 파장이 비슷한 경우 발생하는 미 산란의 비중이 높아진다. 미 산란은 모든 파장의 빛을 비교적 균일하게 산란시키기 때문에 하늘의 푸른색이 옅어지고 탁한 흰색이나 회색을 띠게 된다. 결국 맑고 선명한 진파랑색 하늘은 아이러니하게도 공기가 매우 깨끗하여 빛을 산란시킬 대기 가스 분자 외에 다른 이물질이 거의 없음을 증명하는 지표이다.

2.5 극지방의 야광운과 이상 산란 현상

고도 80km 이상의 중간권 영역에 존재하는 '야광운(Noctilucent cloud)'은 일반적인 구름과 달리 수증기가 아닌 극소량의 얼음 결정과 유성 먼지로 이루어져 있다.^{[6]야광운은 여름철 고위도 지역의 위성 관측 및 고고도 기상 관측에서 주로 관측되는 극지방의 희귀 기상 현상이다.} 태양이 지평선 아래로 내려간 심야에도 높은 고도 덕분에 태양광을 받아 푸른빛이나 은백색으로 빛나는 이상 현상을 보인다. 이는 일반적인 대기 산란과는 전혀 다른 고고도 입자 특성에 의한 특수 산란 현상으로, 지구 대기권 최상부의 극단적 환경이 만들어내는 독특한 시각적 예외 사례에 해당한다.