[광학] 자연 속의 광학 현상들

 

 빛의 기본적인 성질이나 빛과 물질 간의 상호작용을 통해 발생하는 다양한 광학 현상들은 자연 속에서 많이 발견할 수 있다. 이러한 다양한 현상들은 우리 인간의 호기심을 자극하고, 과학적인 탐구가 발전하게 된 계기가 되기도 하였다. 대표적으로 자연 속에서 관찰할 수 있는 다양한 광학 현상과 그 원리에 대해서 간단히 알아보도록 하겠다. 먼저 첫 번째 광학 현상은 '무지개'이다. 무지개는 햇빛이 공기 중에 있는 물방울과 접촉하게 되면서 빛이 굴절, 반사, 그리고 분산되며 발생하는 자연 현상이다. 햇빛이 물방울에 들어가게 되면 파장에 따라서 각기 다른 각도로 '굴절'되고, 이러한 과정에서 빛은 물방울 내에서 '반사' 및 다시 굴절하여 빛이 외부로 다시 나올 때 각 파장이 분리되는 분산 과정을 거쳐 우리 눈에 보이는 약 7개의 색의 띠를 형성하게 되는 것이다.

또한 가끔 발견할 수 있는 이중 무지개는 빛이 물방울 내부에서 한 번이 아닌, 두 번 반사되어 나올 때 나타나는 현상인데, 첫 번째 무지개의 바깥쪽에 두 번째 무지개가 형성되는 구조이다. 이때 두 번째 무지개는 첫 번째 무지개와 색의 순서가 반대이며, 상대적으로 더 희미하게 나타나는 것이 특징이다. 다음은 미라지라고 불리는 신기루이다. 신기루는 빛의 밀도가 다른 대기층을 통과하는 과정에서 '굴절'되어 물체의 실제 위치가 아닌 다른 위치에서 물체가 보이거나 또는 왜곡된 형상으로 보이는 것을 말한다. 주로 뜨거운 사막이나 아스팔트 도로와 같은 곳에서 발생하는 현상인데, 이는 공기가 지면에 가까울수록 뜨겁고 위로 올라갈수록 차가워지는 '온도 경사'에 의해 빛이 굴절되어 나타나는 것이다. 이러한 신기루는 환경에 따라서 하층 신기루와 상층 신기루로 나뉘는데, 먼저 하층 신기루는 지면 근처 뜨겁게 달궈진 공기에서 발생하는 것이며, 멀리 있는 물체가 마치 지면에 있는 것처럼 보이게 하는 것이 특징이다. 또한 상층 신기루는 북극과 같은 추운 환경에서 주로 발생하는데, 물체가 마치 상층에서 비치는 듯한 모습을 나타내는 독특한 형상을 나타낸다.

다음은 오로라이다. 오로라는 태양에서 방출하는 고에너지의 입자가 지구의 자기장으로 인해 극지방으로 끌려오게 되는데, 이때 대기권에 존재하는 산소 및 질소와 충돌하면서 발생하는 발광 현상이다. 충돌 시 산소 원자는 녹색과 붉은색 빛, 질소는 푸른색과 보라색의 빛을 내기 때문에 하늘에서 다양한 색과 빛이 마치 춤추는 형상을 보인다. 오로라는 북반구에서 발생하는 북극광이라 불리는 오로라 보레알리스와 남반구에서 발생하는 남극광이라 불리는 오로라 오스트랄 리스 두 종류가 존재한다. 다음 글로리(Glory)는 햇빛이 작은 물방울 표면에 닿을 때 여러 번의 굴절 및 산란 과정을 거치면서 무지개와 비슷한 빛의 '원형' 띠가 형성되는 것이다. 이러한 현상은 주로 물방울이 많이 존재하는 안개 속에서 보이며, 물체의 그림자가 안개 위에 드리워졌을 때 발생하기도 한다.

이러한 글로리 현상은 주로 비행기에서 발견할 수 있는데 비행기의 그림자가 구름이나 안개 위에 드리워지면서 나타나는 것이다. 또 글로리 현상은 기후의 변화나 대기 상태를 연구하는 데 도움을 줄 수 있는 현상으로도 주목받고 있다. 태양의 고리라 불리는 헤일로는 햇빛이나 달빛이 대기 중에 존재하는 얼음 결정에 굴절 혹은 반사되면서 발생하는 '고리' 모양의 현상이다. 얼음 결정들은 육각형 형태로 배열이 되어있어 빛이 통과할 때 22도 및 46도 각도로 굴절되게 되며, 해당 각도를 유지하며 태양이나 달 주위에서 빛의 고리를 형성하게 된다. 레이 샤프트는 채광이라고 불리는데, 이는 구름 사이로 들어오는 태양에 의한 빛줄기가 분리되어 하늘에 마치 빛으로 된 기둥, 빛의 기둥이 형성되는 것을 말한다. 이 빛줄기는 대기 중에 존재하는 먼지나 미세한 입자에 의해 산란하고, 구름 틈새에서 나오는 빛이 서로 각기 다른 방향으로 나아가면서 발생한다. 레이 샤프트는 신비로운 분위기가 아름다운 경관을 연출하기 때문에 '하늘의 계단'이라고 불리기도 한다. 이 현상은 일출 혹은 일몰 시기에 특히 강렬하게 나타난다고 알려져 있으며, 대기의 조건에 따라서 다양한 색으로 빛나기도 한다.

이는 태양과 구름 그리고 대기 입자에 의한 상호작용을 통해 빛이 분산되는 방식에 따라 다르게 나타나기도 한다. 다른 포스팅에서도 언급한 적이 있지만, 낮에 하늘이 파란색으로 보이는 것은 공기 중의 산소 및 질소 입자가 빛을 산란시키기 때문이다. 파장이 더 짧은 파란색 빛이 더 강하게 산란하기 때문에 하늘이 푸르게 보이는 것이며, 이를 레일리 산란이라고 한다. 일출과 일몰 때는 태양의 빛이 대기권을 더 길게 통과해야 하므로 파장이 더 긴 붉은색 빛이 상대적으로 더 많이 산란한다. 따라서 해당 시간대에는 하늘이 붉고 주황빛으로 물드는 석양을 볼 수 있게 된다. 마지막으로 소개할 자연 속의 광학 현상은 광환과 코로나이다. 이 두 현상은 서로 비슷해 보이지만 엄연히 다르다. 먼저 광환은 구름 속에 있는 작은 물방울과 얼음 결정에 의해서 빛이 '산란'하는데, 이 과정에서 발생하는 원형의 빛 현상을 말한다. 코로나는 이와 다소 비슷하지만, 구름을 통과하는 빛이 아주 작은 물방울에 의해 '회절'되면서 생성되는 것이다. 코로나는 주로 태양이나 달 주변에서 관찰할 수 있는 색을 가진 고리 형태이며, 빛의 파장에 따라서 다채로운 색으로 나타나기도 한다. 이러한 광환과 코로나는 구름 속에 존재하는 입자의 크기와 형태에 대한 정보를 제공하여 실제로 오늘날 기상 관측이나 대기 과학 연구에서 중요한 현상으로 여겨지고 있다.

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