하늘은 왜 파란색일까?

화창한 날 낮에 머리위를 올려다보면 푸른 하늘이 펼쳐집니다. 공기는 무색 투명한데 맑은 날의 하늘이 푸른색으로 보이는 것은 어째서 일까요?

레일리(Rayleigh) 산란과 미(Mie) 산란

빛이 입자에 닿을 때 빛은 입자에서 산란합니다. 입자의 크기가 빛의 파장보다 작아지면, 파장이 짧은 청색광이 파장이 긴 적색광보다 강하게 산란하게 됩니다. 이 현상은 입자의 크기가 파장의 1/10 정도가 되면 나타납니다. 이러한 산란을 '레일리 산란'이라고 합니다. 또 빛의 파장과 같은 정도의 크기의 입자에서 산란하는 현상을 미 산란이라고 합니다. 공기 중에 포함되는 산소나 질소 등의 기체 분자의 크기는 빛의 파장보다 훨씬 작기 때문에, 태양광이 기체 분자에 부딪히면 레일리 산란이 생겨 청색의 빛이 강하게 산란합니다. 에너지가 큰 청색의 빛이 기체 분자에 부딪히면 기체 분자의 전자는 격렬하게 진동합니다. 전자는 즉시 동일한 에너지의 빛을 방출하는데, 이 빛은 다른 기체 분자의 전자를 격렬하게 진동시킨다. 이와같이 연쇄적으로 청색광의 산란이 일어나게 됩니다. 그 푸른 빛이 지상에 있는 우리의 눈에 닿기 때문에 하늘이 푸르게 보이는 것 입니다. 보라색의 빛은 청색의 빛보다 파장이 짧기 때문에 강하게 산란할 것 입니다만, 원래 태양광에는 보라색의 빛보다 청색의 빛이 많이 포함되어 있기 때문에, 전체적으로는 청색이 강해집니다. 다음 그림은 화창한 날의 푸른 하늘의 스펙트럼을 보여줍니다. 파장 500nm 부근의 청색계의 빛이 강한 것을 알 수 있습니다.

일몰시 하늘은 왜 붉은 색일까?

낮에 태양이 높은 곳에 있을 때는 태양광이 대기중을 통과하는 거리가 짧기 때문에 모든 색의 빛이 지표에 도착합니다. 그러나 일출이나 일몰 때는 태양의 고도가 낮아지기 때문에, 태양광이 대기중을 통과하는 거리가 낮 동안보다 상대적으로 길어집니다. 그러면 태양광에 포함되는 파장이 짧은 청색계의 빛은 대부분이 대기중에서 산란해 버리고, 지표면에서는 파장이 긴 적색계의 빛이 눈에 띄게 보이게 됩니다. 그러므로 아침이나 저녁의 하늘은 붉게 물들어 보입니다. 하늘뿐만 아니라 태양 자체도 더 붉게 보입니다.