낮에는 희끄무레하다가 새벽이나 해질녘에는 강렬한 주황색으로 변하는 태양의 색이 하늘에서의 위치에 따라 어떻게 변하는지 보신 적이 있으실 겁니다. 그 이유는 태양빛과 대기 중 분자의 상호작용으로 인해 발생하는 산란이라는 물리적 현상 때문인데, 태양이 수평선에 더 낮게 나타날수록 태양 복사의 파란색 성분이 더 많이 분산되어 일몰이나 일출에 보이는 특징적인 주황색과 붉은색을 띄게 됩니다.
태양의 색이 변하는 원리: 대기 중 빛의 산란
태양은 지구의 대부분에 걸쳐 빛을 방출합니다. 태양빛은 전자기 스펙트럼으로, 인간은 가시 광선만 볼 수 있습니다. 태양광의 가시 광선이 대기를 통과하면 존재하는 입자, 특히 대기의 원자나 분자에 약하게 결합된 전자와 상호 작용하기 시작합니다. 전자기 방사선과 이러한 전자와의 상호작용을 산란 또는 라일리 산란이라고 합니다. 이 과정은 빛과 전자 사이의 일종의 ‘충돌’로서 전자기 복사가 경로에서 벗어나게 하는 것으로 생각할 수 있습니다.
라일리 산란에 의한 빛의 산란 강도는 빛 자체의 파장에 반비례합니다. 간단히 말해 파장이 짧을수록 산란 효과가 커집니다. 청색광은 적색광보다 파장이 짧기 때문에 태양광의 청색 성분은 적색 성분보다 훨씬 더 강하게 라일리 산란의 영향을 받습니다.
이는 태양의 인지된 색에 영향을 미칩니다. 실제로 라일리 산란에서 “살아남은” 빛만 우리 눈에 도달하는데, 이 빛은 파란색에 비해 주로 빨간색 성분을 띠게 됩니다.
일출과 일몰에 태양의 색이 변하는 이유는 무엇인가요?
더 많은 빛이 대기를 통과할수록 더 많은 상호작용이 일어나고 따라서 라일리 산란이 발생합니다. 따라서 태양이 지평선에 낮게 떠 있으면 빛이 대기를 통과하는 시간이 매우 길어지고 라일리 산란이 너무 많아져 햇빛의 파란색 성분이 거의 완전히 사라지게 됩니다. 뿐만 아니라, 대기를 통과하는 긴 여정은 햇빛의 황색 성분도 감소시킵니다. 그 결과 태양이 주황색/빨간색원반으로 보이게 되는데, 그 이유는 태양빛의 이 성분만 우리 눈에 도달하기 때문입니다.
하지만 파란색 성분은 어떻게 될까요? 마술처럼 사라지는 것이 아니라 대기 중에서 상호작용하는 다른 분자와 만나면서 다양한 편차를 계속 겪게 됩니다. 이렇게 대기 중에 청색광이 지속적으로 확산되는 것이 하늘의 푸른색을 만들어냅니다.