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하늘은 왜 파란가?

 (explainers.blog)
1P by GN⁺ 4시간전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 빛이 대기 중의 질소와 산소 분자에 부딪히며 산란할 때, 짧은 파장의 푸른빛이 다른 색보다 훨씬 더 많이 흩어짐
  • 이 현상은 분자의 전자 구름의 공명 주파수와 관련되어 있으며, 파장이 짧을수록 산란이 강해지는 Rayleigh 산란의 결과
  • 보라색은 더 많이 산란하지만 인간의 눈이 이에 덜 민감하고, 일부는 오존층에 흡수되어 하늘이 파랗게 보임
  • 일출·일몰 시에는 빛이 더 많은 대기를 통과하면서 푸른빛이 대부분 산란되어 사라지고, 붉은빛만 남아 하늘이 붉게 보임
  • 이러한 원리는 지구·화성·목성 등 행성 대기 색상의 차이를 설명하며, 입자 크기에 따라 Rayleigh, Mie, Geometric 산란으로 구분됨

빛과 색의 기본 원리

  • 사물의 색은 눈에 들어오는 광자의 파장 조합에 의해 결정됨
    • 대부분의 경우 여러 파장의 빛이 섞여 들어오며, 뇌가 이를 하나의 색으로 인식함
    • 예를 들어 터키색은 500nm 부근의 단일 파장 또는 470nm과 540nm의 조합으로도 느껴질 수 있음
  • 태양광이 대기에 닿을 때 대부분의 색은 통과하지만, 푸른빛 광자는 여러 방향으로 산란되어 하늘 전체에 퍼짐
    • 이로 인해 맑은 낮 하늘의 어느 방향을 봐도 푸른빛이 눈에 들어옴

푸른빛이 특별한 이유

  • 푸른빛과 보라빛은 질소(N₂) 와 산소(O₂) 분자의 전자 구름의 공명 주파수에 가장 가까움
    • 광자가 분자 근처를 지날 때 전자 구름이 같은 주파수로 진동하며, 공명에 가까울수록 진폭이 커짐
    • 진동이 강할수록 광자가 직진하지 않고 산란될 확률이 높아짐
  • 산란 강도는 주파수의 네제곱에 비례하여, 고주파(짧은 파장)일수록 훨씬 강함
    • 보라색은 빨강보다 약 10배 더 많이 산란됨
  • 그러나 보라색 하늘이 아닌 이유는 인간의 눈이 보라색 감도가 낮고, 일부 자외선이 오존층에 흡수되기 때문

일출과 일몰의 붉은 하늘

  • 태양이 낮게 있을 때 빛은 약 40배 더 긴 대기 경로를 통과함
    • 이 과정에서 푸른빛과 녹색빛이 대부분 산란되어 사라지고, 산란이 적은 붉은빛만 남음
  • 따라서 해질녘과 새벽의 하늘은 붉게 보임

구름이 흰 이유

  • 구름은 약 0.02mm 크기의 물방울로 이루어져 있으며, 이는 분자보다 훨씬 큼
    • 각 물방울은 프리즘처럼 모든 파장의 빛을 여러 방향으로 반사·굴절시킴
    • 수조 개의 물방울이 모든 색을 흩뿌리므로, 구름은 흰색 또는 회색으로 보임
  • 이 원리는 비·눈·우박 등 더 큰 입자에도 적용되어, 모두 흰색 경향을 띰

화성의 붉은 하늘과 푸른 일몰

  • 화성 대기에는 철 성분이 풍부한 미세한 먼지가 많아 푸른빛을 흡수하고 붉은빛을 산란시킴
    • 고체 입자는 다양한 파장의 빛을 흡수하며, 특히 보라·자외선 영역을 강하게 흡수함
    • 이는 먼지 분자의 전자가 높은 에너지의 광자(보라·자외선)에 의해 들뜰 수 있기 때문
  • 반대로 화성의 일몰은 먼지가 푸른빛을 전방 산란시키기 때문에 태양 주변이 푸르게 보임
    • 붉은빛은 더 큰 각도로 산란되어 주변 하늘로 퍼지고, 푸른빛은 태양 근처에 집중됨

행성 대기 색의 세 가지 원칙

  • 작은 기체 분자 → 파란/청록색 대기
    • 예: 지구(질소·산소), 천왕성·해왕성(수소·헬륨)
    • 해왕성과 천왕성의 짙은 파란색은 메탄이 붉은빛을 흡수하기 때문
  • 먼지·연무 → 붉은/주황/노란 대기
    • 예: 화성(산화철 먼지), 타이탄(유기물 연무), 금성(황 성분 연무)
  • 구름 → 흰색/회색 대기
    • 예: 지구(물방울), 금성(황산 구름), 화성(물 얼음 구름)

목성 대기의 예측과 검증

  • 목성의 대기 색을 단순 모델로 예측하면
    • 붉은 영역: 액체핵이 없어 먼지가 아닌 화학적 연무
    • 흰 영역: 암모니아 얼음 구름
    • 푸른 회색 영역: 수소·헬륨 분자의 산란
  • 실제 Galileo 탐사선이 관측한 결과도 이와 일치하여, 구름 사이의 건조한 수소·헬륨층을 확인함

세 가지 산란 유형

  • Rayleigh 산란: 입자가 파장보다 훨씬 작을 때, 짧은 파장(푸른빛) 우세
  • Mie 산란: 입자 크기가 파장과 비슷할 때, 먼지·연무에 해당하며 방향성 강함
  • Geometric 산란: 입자가 파장보다 훨씬 클 때, 구름·얼음 결정이 모든 색을 반사
  • 입자 크기와 파장의 상대적 비율이 산란 형태를 결정함
    • 긴 파장을 사용하면 산란이 줄어 적외선 카메라가 연기 속을 볼 수 있음

결론

  • 하늘의 색은 입자 크기와 빛의 파장 관계로 설명 가능
  • 지구의 파란 하늘, 화성의 붉은 하늘, 금성의 노란 하늘 모두 같은 산란 원리에 기반
  • Rayleigh, Mie, Geometric 산란의 이해는 행성 대기 모델링과 광학 기술에 핵심적임
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GN⁺ 4시간전  [-]
Hacker News 의견들

  • Cliff Stoll의 『The Cuckoo’s Egg』에 나오는 박사 논문 구술시험 일화가 인상적이었음
    교수 한 명이 “하늘이 왜 파란가?”라는 단순한 질문을 던졌고, 그 질문이 결국 양자역학까지 이어지는 깊은 탐구로 확장되었음

    • 여기에 생물학적 요인도 포함된다고 생각함. 인간의 눈은 보라색보다 파란색에 더 민감해서 실제로는 보라색이 더 많이 산란되지만 그렇게 인식되지 않음
      색맹(특히 tritanopia)이 있는 사람은 파란색을 전혀 인식하지 못함. 이런 점에서 색 인식은 물리적 현상뿐 아니라 인간의 생리학과 언어에도 의존함
    • “좀 더 구체적으로 말해보라”는 질문은 상대가 얼마나 알고 있는지를 드러내는 훌륭한 방법임
      예를 들어 “Java가 어떻게 작동하나?”라는 질문에서 JVM의 바이트코드 해석부터 깊이 파고들 수 있음
    • 앞으로는 모든 질문에 대해 정확하고 이해 가능한 답변을 즉시 얻을 수 있는 세대가 등장할 것이라는 생각에 설렘을 느낌

  • 흥미로운 점은 대부분의 파란 나비가 실제로는 색소가 아니라 빛의 구조적 반사로 인해 파랗게 보인다는 것임
    날개 표면의 미세한 능선이 특정 파장을 반사해 파란색을 만들어내며, 물에 젖거나 각도를 바꾸면 그 색이 사라짐

    • 혹시 이런 간섭 기반의 파란색이 진화한 이유가, 생화학적으로 파란색 색소를 만들기 어렵기 때문인지 궁금함
      또는 인간이 예전부터 파란색 나비를 채집해 색소로 썼을 가능성도 있음. Tyrian purple처럼 말임
    • 새들도 같은 원리로 구조색을 사용함. 이런 색은 위장과 반대되는 시각적 신호로 진화했을 가능성이 큼
      참고로 파란 눈 역시 색소가 없고, Rayleigh 산란으로 인해 파랗게 보이는 현상임
    • 이런 원리를 디스플레이 기술에 적용한 회사도 있음. Qualcomm이 인수한 Iridigm의 Interferometric Modulator Display가 그 예임

  • “Scattering”이라는 단어의 문법적 사용에 대한 논의도 흥미로웠음
    영어에서 labile verb는 타동사와 자동사로 모두 쓰일 수 있는데, “scatter”가 그 예임
    Intransitive: Blue light scatters / Transitive: Molecules scatter blue light

    • 영어는 이런 형태의 동사를 유연하게 받아들이는 언어임. 예전에도 “this novel reads well” 같은 표현이 있었는지 궁금함
    • ‘listen’처럼 1인칭 감각 동사는 있는데, 3인칭 대응어가 없는 점이 늘 궁금했음. 게르만어나 노르딕 언어에는 그런 단어가 있을까 하는 의문이 듦
    • 이런 labile verb는 자연어의 모호성을 만드는 원인이기도 함. “The bell rang”과 “John rang the bell”처럼 말임
    • 이런 내용을 부록 설명으로 추가할지 고민 중임
    • “이제 clam steamers와 shrimp fried rice도 해보라”는 농담이 나올 정도로 흥미로운 언어적 주제임

  • “하늘이 왜 파란가”라는 질문을 단순하게 설명하자면, 공기가 파랗기 때문이라고 말할 수 있음
    가까이 보면 투명하지만, 충분히 많은 공기를 통과하면 파란빛이 드러남. 탁한 물도 소량일 때는 맑아 보이는 것과 같음

    • 다만 흡수와 산란의 차이를 구분해야 함. 하늘의 파란색과 스테인드글라스의 파란색은 전혀 다른 물리적 현상임
      그래서 “파란빛이 도는 투명함”이라고 표현하는 게 더 정확할 수도 있음
    • 실제로 공기는 그냥 파란색임. 새의 날개처럼 색소가 아닌 빛의 구조적 상호작용으로 색이 생김
      만약 우주에서 공기 기둥에 백색광을 비춘다면, 그 빛은 파랗게 보일 것임

  • 태양이 질 때 하늘이 왜 초록색으로 보이지 않는가에 대한 질문도 흥미로웠음

    • 실제로는 파장별 가중치의 변화로 인해 초록색이 잠깐 비중을 높이지만, 다른 파장과 겹쳐 지배적이지 않음
      그래서 붉은색 → 주황/노랑 → 약한 청록 → 어두운 파랑 순으로 변함
    • 하늘색은 단일 파장이 아니라 여러 파장의 혼합으로 결정됨. 산란이 파란색뿐 아니라 초록색도 일부 제거하기 때문에 초록 하늘은 생기지 않음
      색상 보간을 RGB로 시도하면 중간색이 갈색처럼 보이는데, 이것이 실제 물리 모델에 더 가깝음
    • 다만 일몰 직전에는 green flash라는 현상이 잠깐 나타남. Green flash를 보면 조건이 맞을 때 관찰 가능함
    • 결국 태양이 높을 때는 파란색과 초록색, 빨강이 모두 섞여 흰색으로 보이고, 점차 고에너지 파장이 사라지며 황금빛(Golden Hour) 이 나타남

  • 창가의 포스터가 시간이 지나며 파랗게 바래는 이유도 같은 원리임
    노란색·빨간색 색소는 청색과 자외선을 흡수하면서 분자 결합이 끊어지고, 상대적으로 남은 파란색이 더 오래 지속됨

  • “하늘이 왜 파란가”를 직접 구현해보려면 three.js로 atmospheric shader를 만들어보는 게 좋음
    빛의 산란, 관찰자의 위치, 대기 조성 등을 시각적으로 이해할 수 있고, 완성 후엔 멋진 시각 효과도 얻을 수 있음

  • 이런 수준의 과학적 열정이 정말 멋짐
    더 많은 사람들이 STEM 분야에 이런 흥미를 느꼈으면 좋겠음. 현대 문명을 지탱하는 핵심이 바로 이 분야임

  • 태양이 높을 때 노랗게 보이는 이유는, 대기층을 통과하며 짧은 파장이 일부 산란되어 남은 빛이 노란색으로 보이기 때문임

  • “DemocRats가 많아서 하늘이 파랗다”는 농담성 댓글도 있었지만, 과학적 논의와는 무관함

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