빛으로 하늘에 그린 그림, 무지개의 구조

비 개인 하늘에 걸리는 무지개는 매우 아름답습니다. 무지개는 자연이 만들어내는 빛과 색의 예술이라고 할 수 있습니다. 하늘의 캔버스에 수 놓인 아름다운 색의 띠는 어떻게 그려질까요? 무지개가 생기는 구조에 대해 생각해 봅시다.

프리즘으로 볼 수 있는 여러 색깔 빛의 띠

영국의 물리학자 '아이작 뉴턴'은 1672년에 'New Theory About Light and Colour(빛과 색에 대한 새로운 이론)'이라는 논문을 정리했습니다. 뉴턴은 이 논문에서 태양광을 '프리즘'에 통과시키면 빨강에서 보라색까지 연속적으로 변화하는 빛의 색 띠가 나타나는 현상에 대해 말하고 있습니다. 뉴턴은 태양광 자체는 색이 없지만, 태양광이 7색의 빛이 섞인 것임을 보여주었습니다. 뉴턴이 이 실험을 실시한 것은 1666년 입니다만, 뉴턴은 5년 후인 1672년에 실험 결과를 이 논문에서 보고했습니다. 또, 1704년에 ​'Optics'(광학)라고 하는 책을 출판해 재차 이 실험에 대해서 정리하고 있습니다. 이 현상을 '빛의 분산'이라고 하고, 빛의 색띠를 '스펙트럼'이라고 합니다. 프리즘에서 빛이 분산되는 이유는 빛이 프리즘에서 굴절하기 때문입니다. 빛의 색은 빛의 파장(진동수)의 차이이며, 파장의 길이에 따라 보라색에서 빨강으로 변화합니다. 프리즘으로 빛을 분산시켰을 때 가장 굴절이 큰 것이 파장이 가장 짧은 보라색 빛입니다. 프리즘을 거쳐 더 이상 분산시킬 수 없는 단일 파장의 빛을 '단색광'이라고 합니다. 태양과 전등의 빛은 많은 단색광이 모인 '백색광'입니다.프리즘으로 분산시킨 스펙트럼이 우리 인간이 눈으로 볼 수 있는 빛이며, 이 범위의 빛을 '가시광선'이라고 합니다. 백색광을 프리즘으로 분산시킨 빛을 볼록 렌즈로 모으면 원래의 백색광이 됩니다.

무지개가 생기는 구조

비가 내린 뒤의 하늘에는 많은 작은 물방울이 떠 있습니다. 이 많은 작은 물방울에 햇빛이 닿으면 물방울이 프리즘과 비슷한 역할을 하여 무지개를 만듭니다. 물론, 구형의 물방울 속을 투과하는 빛의 길은 삼각형의 프리즘과는 다르고, 무지개가 생기는 구조는 프리즘으로 빛의 색띠를 만드는 구조보다 복잡합니다. 태양의 빛이 물방울에 닿으면 빛은 물방울의 표면에서 굴절되어 물방울 안으로 들어갑니다. 그 빛은 물방울의 안쪽에서 반사되고 다시 물방울의 표면에서 굴절되어 밖으로 나옵니다. 밖으로 나오는 빛은 빛의 색에 따라 특정 각도로 굴절됩니다.이 각도는 빨간색 빛의 경우 약 42도, 보라색의 빛의 경우 약 40도입니다. 이것이 평소, 우리가 무지개라고 부르는 밝은 빛의 띠가 생기는 구조입니다. 이 무지개를 주 무지개라고 합니다. 또한 주 무지개 위에 또 다른 흐릿한 무지개가 보일 수 있습니다. 이 무지개를 부 무지개라고 합니다만, 부 무지개는 물방울 속에서 2회 반사해 나오는 빛에 의해 생기는 무지개입니다. 붉은 색의 빛은 약 51도, 보라색의 빛은 약 53도입니다. 이론적으로는 물방울 속에서 빛이 3회 이상 반사하는 부무지개도 할 수 있습니다만, 반사 횟수가 많아지면 빛이 약해지기 때문에 그 무지개는 눈으로 볼 수는 없습니다. 무지개가 뜨는 것은 태양과 반대쪽의 하늘에 보입니다. 즉 태양을 등졌을 때 때 보이는 것입니다. 또, 물방울의 형태가 왜곡되어 있는 경우, 많은 물방울로부터 빛이 서로 다른 방향으로 나와 산란하기 때문에 무지개가 생기지 않습니다. 주 무지개와 부 무지개 사이의 하늘과 경치는 주 무지개 아래와 부 무지개 위쪽에 비해 어두워집니다. 이 부분은 고대 그리스 시대 '아프로디시아스'의 '안렉산드로스'라고 하는 고대 철학자가 가장 먼저 발견하였다고 합니다. 왜 이 부분이 어두워지는가 하면 물방울에서 나오는 빛이 굴절하여 무지개가 보이기 때문에 상대적으로 그 사이의 공간에 빛이 적기 때문입니다. 다음 사진은 주 무지개(아래쪽)와 부 무지개(위쪽)를 촬영한 것입니다. 주 무지개와 부 무지개 색의 순서가 역전되고 있음을 알 수 있습니다. 또한, 주 무지개와 부 무지개 사이의 하늘이 어두워지는 것을 알 수 있습니다. 주 무지개에 비해 부 무지개는 어둡기 때문에 볼 기회가 잘 없을 수도 있지만, 무지개가 나왔을 때에는 부 무지개가 보이지 않는지 잘 확인해 봅시다.