엄마 아빠: 하늘색은 왜 파란색인가요?

에 의해서 marketing | 7월 25, 2024 | Blogs, 과학 및 교육 | 코멘트 0개

소개

하늘이 파란색인 이유는 무엇인가요? 하늘이 파란색인 이유는 무엇인가요? 부모를 항상 당황하게 만드는 전형적인 어린이 질문입니다. 하지만 아이가 이런 질문을 한다면 어떻게 대답할 수 있을까요? 이 글에서는 하늘색에 대한 전문가가 되기 위한 핵심 사항을 바로 알려드리겠습니다.

그림 1 하늘이 파란색인 이유는 무엇인가요?

청색광은 대기 중에 산란됩니다.

하늘이 파란색인 이유에 대한 짧은 대답은 햇빛의 파란색 빛이 다른 색보다 대기 중에 더 많이 산란되어 하늘이 파란색 빛으로 가득 차기 때문입니다.

긴 답변을 이해하려면 몇 가지를 알아야 합니다. 첫째, 햇빛에는 무지개의 모든 색(빨강, 파랑, 초록 등)이 포함되어 있다는 것입니다. 또한 대부분의 경우 빛은 직선으로 이동한다는 사실도 알아야 합니다.

그림 2 우리는 눈에 직접 닿는 빛만 볼 수 있습니다.

태양은 구형이기 때문에 빛이 사방으로 퍼져나갑니다. 하지만 우리는 우리 눈에 직접 닿는 빛만 볼 수 있습니다. 우리는 다른 방향으로 나가는 다른 모든 빛을 보지 못합니다. 그리고 한 가지 더 알아야 할 것이 있는데 다음에 설명하겠습니다.

지구에는 대기가 있습니다.

지구의 대기에는 산소와 질소와 같은 입자가 포함되어 있습니다. 태양으로부터 이동하는 청색광 광자는 이러한 입자에 부딪혀 사방으로 흩어집니다.

그림 3 청색광은 대기 중의 입자에 부딪혀 산란합니다.

산란된 청색광 중 일부가 우리 눈에 도달하여 하늘이 파랗게 보이는 것입니다. 실제로는 수십억, 수십억 개의 청색광 광자가 하늘에 산란되어 하늘 전체를 파랗게 만듭니다.

그림 4 수십억 개의 산란된 청색광이 하늘을 파랗게 보이게 합니다.

대기가 없다면 하루 중 언제라도 하늘이 어둡게 보일 것입니다.

대기가 없다면 빛이 산란되지 않아 태양이 머리 위에 있어도 하늘이 어둡게 보일 것입니다. 달 착륙 사진을 보셨나요? 대기가 없고 하늘에 빛이 산란되지 않기 때문에 하늘은 항상 어둡습니다.

그림 5 대기가 없다는 것은 산란이 없고 하늘이 어둡다는 것을 의미합니다.

적색광과 녹색광은 왜 하늘에 흩어지지 않나요?

파란색 광자와 녹색/빨간색 빛의 주요 차이점은 파장에 있습니다. 파란색 파장은 녹색이나 빨간색 파장보다 짧기 때문에 대기 입자에 부딪힐 때 더 쉽게 흩어집니다.

그림 6 빨간색에서 녹색, 파란색으로 이동함에 따라 파장이 짧아집니다.

적색 및 녹색 광자는 산란을 일으키지만 청색 광자보다는 덜 산란합니다. 태양에서 나오는 적색-녹색 광자의 대부분은 태양으로부터 직선으로 이동하여 우리 눈에 도달하지 않습니다.

일몰(또는 일출)시 지평선 바로 위의 하늘이 붉은 이유는 무엇인가요?

이것은 대기와도 관련이 있지만 조금 까다로운 문제입니다. 대기는 지구 주변의 두께가 균일합니다. 하지만 태양을 기준으로 한 사용자의 위치에 따라 빛이 통과하는 대기의 두께가 달라집니다. 이를 이해하려면 상황을 시각적으로 살펴봐야 합니다.

그림 7 일몰 시에는 빛이 더 많은 대기를 통과해야 하므로 수평선이 빨간색으로 표시됩니다.

정오의 태양 빛은 일정한 두께로 대기를 통과합니다. 그러나 새벽의 태양은 하늘에서 더 낮기 때문에 태양과 대기와의 각도 때문에 더 많은 두께의 대기를 통과해야 합니다.

그림 8 빛은 정오보다 해질녘에 더 많은 대기를 통과합니다.

이 거리는 거리가 멀어질수록 각도가 넓어지기 때문에 청색 광자가 산란하는 시간이 더 길어집니다. 이로 인해 대부분 빨간색과 녹색 빛만 남게 됩니다. 녹색과 빨간색이 결합하면 일몰의 주황색 빛이 나옵니다. 빨간색과 초록색은 산란이 많지 않다는 점을 기억하세요.

그림 9 파란색 빛의 대부분은 우리에게 도달하기 전에 산란되어 빨간색/녹색 빛의 주황색 빛만 남습니다.

짧은 파란색 파장이 빨간색과 녹색보다 더 많이 산란되는 이유는 무엇인가요(심층 분석)?

이 산란 현상을 레이리 효과라고 부르는데, 19세기에 이 현상에 대해 저술한 존 윌리엄 스트러트 경의 이름을 따서 붙여진 이름입니다. 그는 그림 10의 공식을 사용하여 산란과 빛의 파장 사이의 관계를 설명했습니다. 기본적으로 람다(λ)는 파장이고 시그마(σ)는 산란의 양으로 볼 수 있습니다.

그림 10 – 파장에 대한 산란의 반비례 비율을 설명하는 라일리 방정식.

람다(λ) 또는 파장이 감소하면 시그마 값(σ)이 증가합니다. 따라서 파란색과 같이 파장(λ)이 짧을수록 시그마 또는 산란 효과가 커지고, 녹색은 그보다 작으며 빨간색은 더 작아집니다. 이는 스펙트럼 그림 11에서 확인할 수 있습니다.

그림 11 – 정오의 하늘 스펙트럼을 보면 그림 10의 역비례 공식에 따라 파란색이 녹색보다 더 많이 산란하고, 빨간색(원적색 제외)보다 더 많이 산란하는 것을 알 수 있습니다.

라일리 효과는 행동을 설명하지만 그 이유는 설명하지 못했습니다. 광자 파장 대비 산란의 양에 대한 이유는 빛과 입자 사이의 양자 상호작용과 관련이 있습니다.

이것은 훨씬 후에 A. P. Vinogradov, V. Yu가 개발한 “원자 레이리 산란의 양자 이론”이라는 논문에서 설명되었습니다. Shishkov, I. V. 도로닌, E. S. 안드리아노프, A. A. 푸코프, A. A. 리얀스키(2020). 이 간행물은 이 글의 범위를 훨씬 넘어서는 아원자 입자, 전자 상태 및 입자 얽힘에 대해 자세히 설명합니다(간행물의 최종 크레딧을 참조하세요).

그림 12 – 해질 무렵의 스펙트럼 – 수평선 위로 빨간색과 초록색 빛이 더 많이 보입니다.

요약

하늘이 파란색인 이유는 그리 어렵지 않습니다. 햇빛에는 무지개의 모든 색이 담겨 있습니다. 파란색은 대기 중의 입자(예: 산소, 질소)에 부딪히기 때문에 하늘에서 사방으로 흩어집니다. 흩어져 있던 파란색의 일부가 우리 눈에 닿아 하늘을 파랗게 보이게 합니다. 다른 색상(빨간색, 초록색 등)은 파장이 길기 때문에 잘 흩어지지 않습니다.

그래서 하늘이 파랗습니다.

엄마와 아빠도 과학자가 될 수 있습니다!

자세히 알아보기 – 빛이란 무엇이며 빛은 어디에서 오는가(여기)?

그림 13 – 엄마, 아빠도 과학자가 될 수 있습니다!

기타 관련 UPRtek 문서.

참조:

XXXIV. On the transmission of light through an atmosphere containing small particles in suspension, and on the origin of the blue of the sky | William John Strut a.k.a Lord Rayleigh |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
원자 레이일리 산란의 양자 이론 | A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. 도로닌, E. S. 안드리아노프, A. A. 푸코프, A. A. 리얀스키 | 2020 년 10 월. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501id=446591.