하늘은 왜 푸른색이야?

하늘은 왜 푸른색이야?

하늘은 왜 푸른색일까? 그리고 밤에는 왜 검은색일까? 매일 무심히 보고 지나치는 하늘이지만 하늘의 색에도 과학이 숨어 있습니다. 석양에는 붉게 보이다가 흐린 날에는 회색, 잿빛으로 보이기도 합니다. 이 글은 과학이 품은 하늘빛에 대한 이야기입니다.

하늘이 푸른 이유

1. 레일리 산란

레일리 산란은 하늘이 파란색으로 보이는 가장 큰 이유입니다. 태양빛은 다양한 색깔의 빛의 조합인데, 대기를 통과하면서 이 빛들은 대기 중의 분자에 의해 여러 방향으로 산란됩니다. 레일리 산란은 빛의 파장에 역비례하므로, 짧은 파장의 파란색과 보라색 빛이 더 크게 산란됩니다. 그러나 우리 눈은 보라색보다 파란색을 더 잘 인식하므로, 하늘은 대체로 파란색으로 보입니다.

2. 오존층

대기 중에 있는 오존은 파란색과 보라색 빛을 흡수하는 경향이 있습니다. 이로 인해 하늘의 색이 더욱 파랗게 보일 수 있습니다.

3. 대기 중의 먼지와 수증기

대기 중에 먼지나 수증기가 많으면, 이들 입자는 빛을 산란시키는 데 추가적인 역할을 합니다. 이들 입자는 레일리 산란과는 다르게, 빛의 색상에 따라 산란의 정도가 크게 다르지 않습니다. 그래서 이들 입자의 존재는 하늘의 색을 약간 흐리게 만들 수 있지만, 여전히 파란색 빛이 가장 많이 산란되므로 하늘은 대체로 파란색으로 보입니다.

하늘이 밤에는 검게 보이는 이유

1. 지구의 자전

지구의 자전으로 해가 지고 나면, 태양의 빛이 지구의 대기를 비추지 않으므로 하늘에는 더 이상 분산되는 빛이 없습니다. 따라서 대기는 빛을 발산하지 않게 되고 하늘은 검은색으로 어둡게 보입니다.

2. 우주의 무한함

별과 다른 천체에서 오는 빛이 약하거나 매우 희박하기 때문입니다. 즉 우주의 무한함 때문에 별이나 다른 천체에서 오는 빛이 지구에 도달하기까지 매우 오랜 시간이 걸리기 때문에, 이런 빛들이 모두 합쳐져서 하늘을 밝게 만들 정도로 충분하지 않습니다.

이러므로 태양이 없으면 하늘의 색은 검거나 어두울 수 있습니다.

하늘의 색이 변하는 이유

1. 태양의 위치

태양이 지평선에 가까울 때 (일출이나 일몰 때), 태양빛이 대기를 통과하는 거리가 더 길어집니다. 이로 인해 레일리 산란이 더 강해지며, 이 때문에 파란색 빛이 대기에서 더욱 많이 산란되어 적색 빛이 우리 눈에 도달합니다. 

2. 대기 중의 입자

대기 중에 먼지나 습기, 오염물질 등 다른 입자들이 있을 경우, 이들 입자는 빛을 추가적으로 산란하거나 흡수하며 하늘의 색상에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 공기 중에 많은 먼지나 스모그가 있을 경우 하늘이 회색이나 갈색으로 보일 수 있습니다. 비슷하게, 비가 곧 올 것을 암시하는 두꺼운 구름은 하늘을 회색으로 보이게 만들 수 있습니다.

3. 폭풍과 기후 조건

폭풍이나 다른 극심한 기후 조건은 대기의 조성을 바꿀 수 있습니다. 이는 특히 빛이 산란되거나 흡수되는 방식을 바꾸어 하늘의 색을 바꿀 수 있습니다. 예를 들어, 강한 비가 온 후에는 대기 중의 먼지나 오염물질이 씻겨져 나가므로 하늘이 특히 청량하게 보일 수 있습니다.

4. 계절과 시간

하늘의 색상은 계절과 시간에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 겨울에는 대기가 더 맑고 건조하므로 하늘이 더 진한 파란색으로 보일 수 있습니다. 반면에, 여름에는 대기가 더 습하고 탁할 수 있으므로 하늘이 더 연한 색으로 보일 수 있습니다. 또한, 하루 중 시간에 따라 태양의 위치가 바뀌므로 하늘의 색상도 변합니다.

5. 시야 각도

하늘을 보는 시점에 따라 하늘의 색상이 달라질 수 있습니다. 대개 머리 위로 보면 하늘이 더 진하게 보일 것이며, 지평선 근처를 보면 하늘이 더 옅게 보일 것입니다. 이는 빛이 지평선 근처에서는 더 많은 대기를 통과해야 하기 때문에 더 많이 산란되기 때문입니다.

하늘이 높고 낮게 보이는 이유

1. 대기 투과성

대기의 투과성이 높아지면 빛이 더 멀리 투과할 수 있어서 하늘이 더 높게 보일 수 있습니다. 반대로 대기 중에 먼지나 습기 등이 많으면 빛의 투과성이 감소해 하늘이 낮게 보일 수 있습니다.

2.  시야 각도

우리가 땅에서 보는 하늘의 높이는 시야 각도에 따라 달라지기도 합니다. 시야 각이 클수록 하늘이 높게 보이고 시야 각이 작을수록 하늘이 낮게 보입니다.

3. 색상

하늘의 색상이 진하면  하늘은 높게 보이고 색상이 흐리면 하늘은 낮게 보입니다. 이는 우리 눈이 높은 곳의 공기가 더 청량하고 푸르게 느껴지는 경향이 있기 때문입니다.

4. 구름

구름의 위치와 형태도 하늘이 높고 낮게 보이게 하는데 영향을 줍니다. 높은 곳에 있는 구름은 하늘이 높게 보이게 하고 낮은 구름은 반대로 하늘이 낮게 보이게 합니다.

대기가 없을 경우 하늘의 색

대기가 없다면, 하늘의 색은 검은색 혹은 매우 어두운 색상이 될 것입니다. 이는 대기의 산란 작용이 없어지기 때문에 햇빛이 직접적으로 지구 표면에 도달하게 되고, 따라서 우리가 보는 하늘이 푸른색이 아닌 우주와 같은 검은색으로 보이게 되는 것입니다.