Scandal 11. 하늘은 파란색인데 노을은 왜 붉은색일까?

 

하늘은 파란색인데 노을은 왜 붉은색 일까?

 

​

 

Photo by 사이언스 스캔들

 

대기는 공기 분자, 먼지 입자, 물방울로 구성되어 있으며, 이들 중 대부분은 가시광선의 파장에 비해 크기가 작아서 대기의 초미세 입자는 태양광의 일부를 산란시키게 된다.

 

빛의 색깔 특성은 아래 포스팅에 자세히 설명되어 있다.

 

Scandal 1 (Part 1) 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다.

Scandal 1 ( Part 1). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

Scandal 1 (Part 2). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

Scandal 1 (Part 2). 빛은 검은색을 흡수하고 흰색은 반사한다

 

아래 순서 대로 알아가 보자

 

 1. 산란(Scattering)
 2. 레일리 산란(Rayleigh scattering)
 3. Mie 산란(Mie scatterimg)
 4. 하늘은 파란색인데 왜 노을은 붉은색일까? 

 

 

1.산란(Scattering)

​

https://www.science.nasa.gov

​

산란 이라고도 알려진 빛의 확산은 다양한 크기의 분산된 입자에 부딪히는 광선이 여러 방향(일반적으로 무작위가 아님)으로 재방출되는 현상이며 분산된 입자의 크기와 입사 방사선의 파장에 따라 확산된 빛의 각도 분포가 다르며 확산된 빛의 강도는 확산 각도에 따라 달라진다.

 

대기 산란은 대기에 존재하는 입자 또는 기체 분자로 인해 원래 경로에서 방향이 바뀔 때 발생하는데, 산란의 양은 방사선의 파장, 입자 및 가스의 양, 방사선이 이동하는 거리를 포함한 여러 요인에 따라 달라질 수있다.

 

빛의 산란에는 여러 가지 방법이 있지만 가장 중요한 것은 레일리 산란(Rayleigh scattering) 과 미 산란(Mie scattering) 있다.

​

이러한 레일리 산란과 미 산란은 입자의 사이즈에 따라 특성이 나타난다. 빛의 파장보다 1/10 작으면 레일리 산란으로 빛이 들어오는 방향 기준으로 모든 방향으로 산란되고, 미 산란은 빛의 파장보다 1/10 이상의 입자의 크기에서 빛의 모든 방향으로 산란하는것 대신 전방으로 더 날카롭게 산란하고 뒷쪽으로 더 많이 산란한다.

​

Light Management of Nanocellulose Films

​

2.레일리 산란(Rayleigh scattering)

​

레일리 산란은 빛의 파장이 빛의 파장보다 작은 입자나 분자와 상호 작용할 때 발생하는 물리학 현상이다. 일반적으로 대기 중의 입자나 분자에 의해 빛이 산란되는 현상으로 햇빛이 지구 대기를 통과할 때 대기에 존재하는 공기 분자, 먼지 입자 및 기타 작은 입자와 상호 작용으로 인해 다양한 방향으로 산란하게 된다. 주변 하늘에 밝기와 색상을 부여하는 것은 바로 이 산란된 빛이다.

 

레일리 산란은 John Tyndall의 하늘의 파란색이 대기 중의 분자에 의해 태양관선이 산란된 결과라고 주장했고, 하늘색의 파란색에 대한 이론적 설명을 1871년 논문에서 처음 설명한 영국의 수학자이자 물리학자인 레일리 경의 이름을 따서 명명되었다.

 

레일리 산란은 전자기 방사선이 들어오는 빛의 파장보다 작은 입자와 상호 작용할 때 발생하는데, 이러한 입자의 예로는 작은 먼지 얼룩, 질소(NO2) 및 산소(O2) 분자가 있다. 레일리 산란의 효과는 파장의 4승에 반비례합니다. 즉, 짧은 파장(보라색,파란색)이 긴 파장(노란색, 빨간색) 보다 더 많이 산란된다.

 

빨간색에 비해 대기에 의해 산란되는 파란색광의 비율이 더 높음

 

이러한 산란 특성이 나타나는 이유는 입사 전자기파의 전기 성분인 파동 주파수에서 진동하는 전기 쌍극자 모멘트를 유도한다. 쌍극자는 빛 양자를 흡수하고 쌍극자 진동 주파수에 해당하는 주파수, 즉 입사파의 주파수로 양자를 방출하며, 산란파의 방향은 무작위이지만 쌍극자 축에 평행하게 파동이 방출될 확률은 거의 없다. 우리가 산란광으로 관찰하는 방사선의 작은 방사 쌍극자이다.

https://shopdelta.eu ​

 

​

우리에게 파란 하늘을 제공하는것은 공기분자에 의해 산란되는 레일리 산란에 의한 것이다. 지구 대기의 산소는 스펙트럼의 자외선 영역 가장자리에 있는 파장을 흡수하여. 옅은 파란색처럼 보이는데 실제로는 주로 파란색과 녹색 등 흩어져 있는 모든 색상이 혼합된 것이다. 반대로, 태양을 바라보면 파란색과 녹색은 산란되고 산란되지 않은 빨간색, 노란색의 장파장 빛이 직접적으로 나타나 태양 자체가 약간 노란색을 띠게 됩니다. 그러나 우주에서 보면 하늘은 검은색이고 태양은 흰색이다. 즉 입자와 산란이 없으면 하늘은 검게 보인다.

​

3. Mie 산란(Mie scatterimg)

​

로렌츠-미 산란 (Lorenz-Mie Scattering) 이라고도 알려진 미 산란은 독일의 물리학자 구스타프 미에(Gustav Mie)의 이름을 따서 명명되었다. Mie 산란은 들어오는 방사선의 파장이 대기 입자의 크기와 유사할 때 발생합니다.

 

Mie 산란의 가장 중요한 원인은 가스, 수증기 및 먼지의 혼합물인 에어로졸이다. Mie 산란은 일반적으로 더 큰 입자가 더 풍부하고 흐린 구름 조건에서 지배적인 낮은 대기로 제한되며 대기권 전체에 영향을 미친다. 근자외선부터 근적외선까지 포함하며 백색광 전체를 산란하여 레일리 산란보다 더 넓은 파장에 더 큰 영향을 미칠수 있다.

 

Mie 산란은 레일리 산란과 분리되어 있으면서도 독립적이지는 않다. 레일리 산란은 공기 중에 빛의 파장보다 1/10작은 입자들에 청색광이 더 많이 산란하는데, 미 산란은 입자가 항상 더 크고 빛이 모든 방향으로 산란되는 대신에 전방은 날카롭고 뒤쪽으로 더 많은 빛이 산란된다.

 

모든 방향으로 빛이 산란되는 대신 날카로은 전방과 뒤로 산란되면서 태양 주의에서 볼수 있는 백색 눈부심 효과를 담당하며 연기, 빗방울 입자 및 먼지는 모두 미 산란에 의해 태양의 눈부심을 보고 일부 구름이 회색이고 다른 구름이 흰색인 이유이다.

 

https://apollo.nvu.vsc.edu ​

 

​

​

4. 하늘은 파란색이고 노을은 붉은색인 이유

​

이제 산란을 알았으니 하늘이 파랗거나 붉어지는 이유를 설명하면 대기의 공기 분자, 먼지 입자, 물방울에 의해 가시광선의 파장에 비해 크기가 작아서 대기의 초미세 입자는 태양광의 일부를 산란시키게 된다.

 

낮에는 태양 광선이 대기를 통해 가장 짧은 거리를 이동한다. 이 상황에서 레일리 산란은 맑은 하늘을 파란색으로 보이게 한다. 이것은 인간의 눈으로 관찰할수 있는 가장 짧은 파장이기 때문이다. 그러나 일출과 일몰 시 태양관선은 표면에 도달하기 전에 지구의 대기권을 통해 더 먼 거리를 이동한다. 짧은 파장은 모두 어느정도 거리를 지나면 흩어지고 긴 파자아만 지구 표면에 도달한다. 결과적으로 하늘은 주황색이나 빨간색으로 나타난다

​

PRINCIPLES OF REMOTE SENSING

Photo by 사이언스 스캔들

 

일출과 일몰 근처에 나타나 화려한 노란색, 주황색, 빨간색으로 나타나는데 레일리 산란과 미 산란의 조합으로 인해 발생한다. 일출과 일몰 시 태양은 하늘에 가장 낮게 떠 있으며 그 빛은 대기가 가장 밀도가 높은 지구 표면 가까이로 전달된다.

 

빛이 이 각도로 대기에 들어오면 더 높은 밀도로 인해 가장 많이 굴절되어 빛의 경로가 길어지고 더 많은 레일리 산란이 가능해진다. 파장이 짧은 청색의 대부분은 이 더 긴 경로에 산란되어 대부분의 더 긴 파동이 계속 유지된다.

 

빛이 대기를 통해 계속 이동함에 따라 노란색 파장은 산란되어 주황색 파장 남기고. 주황색 파장이 더욱 산란되면 빨간색이 햇빛의 주요 색상이 되는것이다.

 

그러므로 일출과 일몰 근처에서 구름의 색은 레일리 산란 이후에 받는 햇빛의 색과 같고, 미 산란은 구름 내에서 나머지 모든 파장 색상을 균등하게 산란시킨다.

 

​

https://www.noaa.gov/

 

A : 햇빛은 대기권에 거의 들어오지 않고 보라색과 남색만 산란

B : 보라색과 남색이 먼저 산란되면 햇빛은 파란색 산란이 가장 많이 발생하는 대기로 더 깊이 침투

빛의 경로에 약간의 길이를 추가하는 굴절로 인해 대기에 의해 빛이 약간 휘어지는 현상

빛의 경로가 대기를 떠나기 시작하면 색상이 주로 노란색이 됨

C : 가장 많은 레일리 산란으로 가장 큰 굴절과 가장 긴 빛 경로.

​

5. 가장 짧은 파장은 보라색이면 하늘은 왜 보라색이 아닐까?

​

가시광선에서 보라색의 파장이 가장 짧다는 것을 알고 있다. 그리고 레일리 산란 따르면 가장 짧은 파장의 빛이 가장 많이 산란됨에도 불구하고 하늘은 파란색으로 보이지 보라색은 아니다.

 

이것은 태양에서 방출되는 빛의 스펙트럼이 모든 파장에 대해 균일하지 않고 대기에 많이 흡수되어, 하늘에서 보라색이 약해보이고, 심지어 인간의 눈도 보라색에 그다지 민감하지 않아서이다.

 

이는 인간 눈의 망막이 기본적으로 3가지 유형의 원추세포(cone cell)가 빨간색, 녹색, 파란색을 인식한다. 다른 어떤 색상보다 아래의 420nm, 534nm, 564nm의 빛에 더 효율적으로 반응하는 경향이 있다. 즉, 파란색 원추세포는 특정 파장에 가까운 색상에 더 나은 자극을 나타냅니다. 또한 파장이 짧기 때문에 파란색은 산란이 더 잘 되고 우리 눈에는 하늘의 연한 파란색이 보이게된다.

​

​

www.wikipeida.org , 빛에 대한 시세포의 반응