하늘이 파란 이유
하늘이 푸른 이유는 공기 중의 분자들이 어떤 역할을 하기 때문인가?
a) 푸른빛을 주로 반사하는 작은 거울 역할
b) 푸른빛을 주로 반사하는 프리즘 역할
c) 높은 진동수의 빛은 반사하고 낮은 진동수의 빛을 흡수하는 렌즈 역할
d) 가시광선의 높은 주파수를 산란시키는 공명자 역할
해 답 : 하늘색
답은 d)다. 공기중의 분자가 어떻게 빛의 작은 공명자 역할을 하는가를 알기 위해 음파에 비슷한 경우를 살펴보자. 특정한 진동수의 소리가 유사한 진동수의 음차 쪽으로 발사되었다. 음차는 진동을 시작할 것이고 효과적으로 흡수된 소리빔을 모든 방향으로 재반향할 것이다. 음차는 소리빔을 산란시킨다. 입사파와 음차의 진동수가 같을 때 음차는 진동이 최대로 일어나 공명하게 된다. 진동수가 일치하지 않을 때도 음차의 진동이 강제로 일어나지만 공명의 경우만큼 강하지는 않다. 산란매체의 진동수와 입사파의 진동수가 비슷할수록 더 많은 진동과 산란이 일어난다. 이것은 소리 뿐만아니라 빛에 대해서도 마찬가지다.
대기 속의 입자를 작은 "광학적 음차"라고 생각할 수 있다. 입자가 작을수록 고유 진동수는 더 크다.(큰 종보다 작은 종이 더 높은 소리를 낸다). 대기의 대부분을 차지하는 질소와 산소 분자는 전자기파 스펙트럼 중 자외선의 고유진동수를 가진 매우 작은 공명자다. 태양으로부터 오는 자외선은 대기의 질소와 산소에 의해 산란된다(비록 대부분의 자외선은 대기권 상층부에 있는 오존층에 의해 흡수되지만).
보라빛은 분자 공명을 일으키기에는 진동수가 너무 낮지만 강제성 진동과 보라빛 산란을 일으키기에는 충분할 정도의 진동수를 갖는다. 푸른색이나 나아가 연초록의 빛마저 보라빛과 똑같은 방법으로 산란된다. 진동수가 낮을수록 산란은 덜 일어난다. 그래서 태양빛이 대기에 들어올 때 보라와 푸른빛은 대부분 산란되고 초록색, 노랑색, 오렌지색, 빨강색 순으로 적게 된다.
비록 보라빛은 푸른빛보다 이러한 대기의 음차로부터 더 많이 산란되지만, 사람의 눈은 보라보다는 푸른빛에 훨씬 더 민감하므로 우리가 보는 합성색은 푸른 하늘색으로 나타난다.
재미있는 사실은 공기중에 질소나 산소 분자보다 훨씬 더 큰 수많은 먼지나 입자들로 들어차 있을 때 더 낮은 진동수의 빛이 더 많이 산란되어 하늘은 덜 푸르게 보이고 더 희그무레한 색으로 물들게 된다는 것이다. 그러나 심한 폭풍우 뒤에는 입자들이 씻겨나므로 하늘은 짙은 푸른색으로 변한다.
