light001. light 빛과 대기

1. 태양(주광), 하늘빛(이차광선/보조광), 반사광(삼차광원). 

맑은 날의 오후. 하얀 바닥 위 하얀 원에 세가지 빛이 쏟아진다. 주광원은 태양, 이차광원은 하늘빛, 삼차광원은 반사광이다. 태양광의 광원은 좁고 강한 백색광이다. 세상은 하늘빛의 진한 색조에 영향을 받는데, 태양광은 빛이 강해서 이 색조에 영향을 받지 않는다. 그림자는 하늘의 영향을 받아 파란 색조를 띄어도, 태양광을 받는 면은 영향이 없다. 다만, 햇빛이 덜 받는 부분부터 명암 경계선이 생긴다. 

명암 경계선은 갈수록 짙어질 것 같지만, 바닥에 반사된 삼차광원인 반사광으로 인해 두번째로 밝다. 가장 짙은 영역은 물체가 바닥에 바로 닿는 부분이다. 이 곳의 그림자가 가장 어두운 이유 두가지 중 하나는 햇빛과 하늘빛의 영향을 가장 덜 받는다. 왜냐면 그림자도 태양광은 받지 않아도 하늘빛의 영향을 받아 파란 하늘빛이 묻어있어 그림자가 뒤로 갈수록 밝게 풀린다. 두번째는 반사광을 받은 물체와 대비되기 때문이다. 

2. 대기 : atmosphere

q.하늘은 왜 파란가?

눈에 보이는 빛인 가시광선은 에너지 소립자인 광자로 이뤄져 있다. 빛을 스펙트럼에 쏘면 무지개색이 나오고 이 빛을 합치면 다시 하양이 된다. 그래서 태양을 백색광이라고 부른다. 태양광은 대기를 거쳐 지구로 쏟아져 내려오는데, 대기의 수많은 구성요소로 인해 빛이 산란하게 된다. 이때 가시광선을 이루는 광자의 길이가 가장 짧은 파란빛이 대기를 다 통과하지 못하고 산란(레일리 산란)하기 때문에 우리 눈에 하늘이 파랗게 보이게 된다. 우리눈에 보이는 모든 햇빛은 산란

하늘이 늘 파랗게 보이는 건 아니다. 대기의 두께에 따라서 하늘의 색은 물감을 풀어놓은 듯 다양한 빛이 나온다. 해질녘 바닷가를 보면 붉은 태양이 떨어진다. 태양광을 바로 받은 곳은 주황빛이고, 그림자가 진 파도는 푸른 빛이다. 두꺼운 대기덕에 파장이 긴 붉은 장파장이 하늘을 뒤덮지만, 여전히 하늘에는 파란 광자가 남아있기 때문에 보조광 역할을 해서 그림자에 푸른 빛을 내리기 때문이다.

q2. 왜 해질녘엔 대기가 뚜꺼울까?  태양이 지평선에 가까워지면, 태양의 빛은 평소보다 더 많은 대기를 통과한다. 여기서 대기가 두껍다라는 말은 기하학적인 두께가 아니라 광학적으로 빛이 통과하기 힘든 두께를 말한다. 정확히는 대기를 구성하는 대기입자인 장애물이 많다는 광학적 두께를 의미한다. 

q3. 대기란 뭔가?

천체의 주위를 둘러싼 기체층을 말하는데, 지구에선 대기라고 하면 대기권을 의미한다. 대기권 덕분에 생물이 호흡할 수 있고, 운석이나 기타 위협에서 보호를 받을 수 있다. 지구의 옷이 바로 대기다. 대기는 가만히 있는게 아니라 순환한다. 이를 지구 대기 운동이라 한다. 대기는 1000km 정도이고 질소와 산소로 이뤄져 있다. 그 외에 우리가 아는 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등이 있다.  지구과학 시간에 배운 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권이 있고 우리가 겪는 기상변화는 대류권 안에서만 일어난다. 다른 영역에 오존층이 생성되는데, 환경문제로 이 대기가 파괴되어 오존이 들어오는 문제가 생긴다. 

대기는 세가지 힘으로 운동한다. 지면과의 마찰, 기압차, 지구회전 작용. 이로 인해 우리가 '바람'이라고 불리는게 이리저리 이동한다. 여러 대기 운동이 있지만 그중 가장 큰 흐름을 대기의 대환류라고 한다. 

빛이 대기권을 통과하는데 대기권이 이런 구성 요소나 움직임 때문에 일정하지 않기 때문에 빛이 일정하게 굴절하지 않는다. 허블 망원경으로 별을 관찰할때도 변동성이 큰 대기권을 통과하기 때문에 관측자에게 다 다르게 보이므로 '대기차'가 발생한다. 대기환경과 시간차로 태양광의 빛의 강도와 위치, 색이 바뀌는 것도 이 때문이다.