천고마비의 계절 가을입니다. 가을하늘이 높다하여 천고(天高)이지만, 그 어느 때보다 맑고 파란 하늘이기도 합니다. 그런데 하늘은 왜 파랄까요?또 해가 뜰 때와 질 때의 하늘은 붉게 보이기도 합니다. 흐린 날은 검게 보이기도 하죠. 이처럼 하늘색이 다른 이유는 몇 가지로 설명할 수 있지만, 그러기에 앞서 우리가 말하는 빛이 무엇인지에 대해 살펴볼 필요가 있습니다.

물리적으로 빛은 파장이 아주 긴(진동수가 작은) 전파부터 파장이 매우 짧은(진동수가 큰) X선까지의 모든 전자기파를 말합니다. 그러나 우리가 말하는 빛은 일반적으로 가시광선을 의미합니다. 또한 가시광선을 포함한 모든 전자기파의 속력은 진공에서 빛의 속도와 같습니다. 그런데 이 값은 파장과 진동수의 곱이므로 파장이 긴 빛은 진동수가 작고 파장이 짧은 빛은 진동수가 큽니다.

가시광선은 우리 눈에 흰색으로 보이기 때문에 백색광이라고 하는데, 사실 가시광선은 적외선 영역에 가까이 있습니다. 그리고 파장이 긴 빨강색부터 파장이 짧은 보라색 사이의 일곱 가지 색(빨강·주황·노랑·초록·파랑·남색·보라)을 띠는 모든 파장의 빛이 균등하게 혼합돼 있어 빛의 합성원리에 의해 흰색으로 보이는 것입니다.

눈에 보이는 빛이라고 해서 통틀어 가시광선이라고 하는 것이지, 가시광선에 속하는 빛들도 자외선이나 적외선처럼 파장의 차이 때문에 생기는 조금씩 다른 특성을 가지고 있습니다. 이것은 프리즘을 통과한 빛이 파장에 따라 물질 내에서의 진행속력이 달라 서로 굴절되는 정도가 다르게 나타나는 스펙트럼(분산현상)을 통해서 쉽게 알 수 있습니다.

빛은 파장별로 굴절되는 정도만 다른 것이 아니라, 파장이 긴 빨강색과 파장이 짧은 보라색 빛이 대기를 통과하면서 공기 입자와 먼지 등에 부딪쳐 사방으로 흩어지는 정도에도 차이가 있습니다. 이런 현상을 ‘빛의 산란’이라고 하는데 빛의 파장이 짧을수록, 입자의 크기가 작을수록 산란이 잘 일어납니다. 실제로 보라색이나 파란색 파장의 빛이 빨간색이나 주황색 파장의 빛보다 약 16배 정도 산란이 잘 일어납니다.

빛의 산란 정도가 파장별로 차이가 나는 것이 내적 요인이라면, 하늘색을 결정하는 외적 요인은 다음의 두 가지를 들 수 있습니다. 하나는 태양 빛이 우리 눈에 들어오기까지 통과하는 대기층의 두께이고, 다른 하나는 그 대기층을 구성하는 입자의 크기입니다.

낮에는 태양의 고도가 높아 우리 머리위에 있기 때문에 태양과 우리 눈 사이의 대기층이 얇습니다. 이때 태양으로부터 오는 가시광선은 대기층을 지나면서 공기를 이루고 있는 질소나 산소 입자 그리고 먼지 등에 의해 산란됩니다. 그때 입자의 크기가 작을수록, 파란색 파장의 빛이 클수록 빨간색 파장의 빛을 잘 산란시킵니다.

맑은 날 하늘은 입자의 크기가 큰 물 분자, 먼지보다는 크기가 작은 질소, 산소 같은 공기 분자가 많기 때문에 빨간색 파장의 빛보다는 보라색, 파란색 같은 파장이 짧은 빛이 더 산란이 잘 되므로 사방으로 퍼져 나가게 됩니다. 우리 눈에 보이는 하늘의 대부분은 이렇게 산란된 보라색, 파란색 빛으로 가득하게 되는 것입니다.

저녁노을이 붉은 이유도 마찬가지입니다. 태양이 지는 저녁에는 태양의 고도가 낮기 때문에 태양과 우리 눈 사이의 대기층의 두께가 두꺼워집니다. 그래서 보라색과 파란색 파장의 빛은 더욱 많이 산란되지만, 이때는 우리 시야각 이외의 방향으로 대부분 산란돼 우리 눈에 거의 들어오지 않습니다. 때문에 산란이 잘 되지 않는 파장이 긴 빨간색 파장의 빛이 우리 눈에 들어와 붉게 보이는 것입니다.

저녁노을이 붉은 것과 하늘이 파란 것, 대도시 근처에서는 공해로 인해 뿌연 하늘이 보이는 것 등도 모두 공기와 먼지 입자가 빛을 흩어지게 하는 산란 때문에 나타나는 현상입니다.