파란하늘 붉은노을 feat.레일리산란(Rayleigh scattering)

 

하늘이 파랗게 보이는 현상과 붉은노을이 붉게 보이는 현상을 설명할 수 있는 이론이

레일리 산란 (Rayleigh scattering)입니다.

 

레일리 산란은 아주 작은 입자에 빛이 닿으면 산란되는 현상인데,

빛의 파장이 짧을수록 산란될 확률이 높다는 이론입니다.

 

 

위 식은 분자(molecules)에서 발생하는 레일리 산란에 대한 식으로,

레일리 산란의 강도는 빛의 파장의 4제곱의 역수에 비례합니다.

그러므로 청색광이 레일리 산란이 일어날 확률이 적색광에 비해서 높습니다.

 

지구는 대기로 덮혀 있는데,

공기 분자에 의해서 레일리 산란이 발생합니다.

 

태양광이 공기분자에 의해 레일리 산란이 발생하게 되고,

다른 빛들보다 파장이 짧은 청색광이 이 분자들에 의해 산란이 발생하면,

사방으로 산란이 됩니다.

물론 이 빛은 사방으로 퍼지기 때문에 강도가 약해지지만,

수 많은 빛들이 입사하고 있기에 산란된 청색광이 우리 눈에 들어올 수 있고,

그 결과가 파란 하늘입니다.

 

태양을 바라보면,

태양의 가시광선이 내 눈에 들어오기 때문에 하얗게 보이고,

하늘을 바라보면,

공기 분자에 의해 산란된 태양의 청색빛(혹은 보라색빛)만 내 눈에 들어오기에

파랗게 보입니다.

 

 

저녁에는 태양의 고도가 낮아지면서 빛이 훨씬 두꺼운 대기를 통과해야 합니다.

청색광은 산란이 잘 되기 때문에 이 두꺼운 대기를 통과하는 동안 모두 산란됩니다.

다만 상대적으로 짧은 경로로 대기를 통과하는 낮에 비해,

저녁에는 긴 경로로 대기를 통과하기 때문에,

산란된 빛은 또 산란되고, 산란되고, 또 산란되고....

반복되면 청색광의 광도는 약해져 보이지 않게 됩니다.

 

그리고 적생광도 산란이 일어납니다.

청색만큼은 아니지만 청색광의 16% 수준으로

산란이 일어나기 때문에 사라진 청색광 대신

파장이 긴 적색광이 레일리 산란에 의해 노을을 만들게 됩니다.