하늘은 왜 파란색일까?

 

 

 

호랑이 담배피던 시절부터 사람들이 가졌던 질문일 듯 하다. 하늘은 왜 파랄까? 다른 색이었다면? 언제나 의문이 들기도 하다. 이유는 모르겠지만 파란색이어서 다행이라고 생각할 때도 많았다. 하지만 왜 파란지 궁금했다.

 

이 질문에 대한 답을 찾기 위해서는 빛의 성질과 대기 중에서 빛이 어떻게 산란되는지를 이해해야 한다. 이 글에서는 빛의 기본적인 성질부터 하늘이 파란 이유, 그리고 일출과 일몰 때 하늘이 붉게 보이는 이유까지 자세히 설명하겠다.

1. 빛은 무엇인가?
우리가 태양을 볼 때, 햇빛은 단순히 흰색처럼 보인다. 하지만 실제로 햇빛은 여러 가지 색깔의 빛이 섞여 있는 것이다.

빛은 **전자기파(Electromagnetic waves)**의 일종이며, 각각의 색깔은 고유한 **파장(Wavelength)**을 가지고 있다.

(1) 빛의 색과 파장
빨강(Red): 620~750 nm (나노미터)
주황(Orange): 590~620 nm
노랑(Yellow): 570~590 nm
초록(Green): 495~570 nm
파랑(Blue): 450~495 nm
남색(Indigo): 420~450 nm
보라(Violet): 380~420 nm
이처럼 빛은 색깔에 따라 파장이 다르며, 빨간색은 긴 파장을 가지고 있고, 보라색은 가장 짧은 파장을 가진다.

2. 대기 중에서 빛의 산란 (Rayleigh Scattering)
태양빛이 지구 대기로 들어오면, 공기 중의 산소(O₂)와 질소(N₂) 분자들과 부딪히면서 산란(Scattering)된다. 이 과정에서 빛은 여러 방향으로 퍼지게 된다.

이때, 짧은 파장의 빛일수록 더 많이 산란되고, 긴 파장의 빛은 상대적으로 덜 산란된다. 이를 **"레이리 산란(Rayleigh Scattering)"**이라고 한다.

(1) 짧은 파장이 더 많이 산란됨
빛의 파장이 짧을수록 공기 분자에 의해 더 많이 산란된다.
파란색과 보라색은 가장 짧은 파장을 가지므로 대기에서 쉽게 산란된다.
반대로 빨간색, 주황색, 노란색은 파장이 길어 산란이 적다.
(2) 왜 하늘이 보라색이 아니라 파란색일까?
보라색 빛도 파란색과 비슷한 짧은 파장을 가지므로 많이 산란되지만, 사람의 눈은 보라색보다 파란색을 더 잘 감지한다.
인간의 눈에는 **적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 감지하는 세 가지 원추세포(Cones)**가 있으며, 이 중에서 청색을 감지하는 세포가 보라색보다 파란색에 더 민감하기 때문이다.
또한 태양빛 자체에 포함된 보라색 빛의 양이 파란색보다 적기 때문에, 우리는 하늘을 파란색으로 인식하게 된다.

3. 하늘의 색이 시간대에 따라 달라지는 이유
(1) 해 질 무렵과 해 뜰 때 하늘이 붉은 이유
태양이 지평선 가까이에 있을 때(일출, 일몰), 태양빛은 대기를 통과하는 거리가 길어진다.
빛이 더 많은 공기 분자와 부딪히게 되므로, 파란색과 보라색은 거의 다 산란되고, 긴 파장의 빨간색과 주황색이 남게 된다.
그 결과, 우리는 일몰과 일출 때 하늘이 붉거나 주황빛을 띠는 것을 보게 된다.
(2) 비가 오는 날 하늘이 회색인 이유
흐린 날에는 대기 중에 물방울과 먼지가 많다.
물방울은 공기 분자보다 훨씬 크기 때문에, 레일리 산란이 아닌 **미 산란(Mie Scattering)**이 발생한다.
미 산란은 모든 색의 빛을 비슷하게 산란시키므로, 하늘이 회색빛으로 보이게 된다.

4. 지구가 아닌 다른 행성에서는 하늘이 무슨 색일까?
지구의 하늘이 파란 이유는 **지구 대기의 구성(산소와 질소가 주성분)**과 빛의 산란 원리 때문이지만, 다른 행성에서는 대기 성분이 다르므로 하늘 색도 다르게 보인다.

화성(Mars): 화성의 대기는 주로 이산화탄소(CO₂)로 이루어져 있으며, 공기 중의 먼지로 인해 하늘이 붉은색 또는 주황색을 띤다.
금성(Venus): 금성의 대기는 두꺼운 황산구름으로 덮여 있어 하늘이 노란빛을 띤다.
목성(Jupiter) & 토성(Saturn): 이들 행성은 두꺼운 가스층을 가지고 있으며, 주로 흐린 회색이나 갈색빛 하늘을 볼 수 있다.

5. 결론: 하늘이 파란 이유는 빛의 산란 때문이다
(1) 태양빛은 여러 색깔의 빛으로 구성되어 있다.
파장이 짧은 파란색과 보라색 빛은 공기 분자에 의해 더 많이 산란된다.
하지만 인간의 눈은 보라색보다 파란색에 더 민감하므로 하늘이 파랗게 보인다.
(2) 하늘 색깔이 달라지는 이유
낮에는 파란빛이 가장 많이 산란되어 하늘이 파랗게 보인다.
일출과 일몰 때는 빛이 대기를 더 많이 통과하면서 파란색이 사라지고, 긴 파장의 빨간색과 주황색이 남아 하늘이 붉게 보인다.
흐린 날에는 구름 속 물방울이 모든 색을 비슷하게 산란시켜 하늘이 회색빛을 띤다.
(3) 지구가 아닌 행성에서는 대기 성분이 다르므로 하늘 색도 다르게 보인다.
하늘의 색은 단순히 태양빛의 색이 아니라, 대기 중에서 빛이 어떻게 산란되고, 인간의 눈이 어떻게 색을 인식하는지에 따라 결정된다. 맑은 하늘이 파란색이라는 사실은 우리가 사는 지구의 대기가 특정한 방식으로 태양빛을 산란시키는 덕분이다.