대기과학(Atmospheric Science) 문답 #15. 대기 광학

#1. 구름은 백색으로 보인다. 그 이유는 무엇인가?

일반적으로 구름 입자들은 유입되는 태양광의 전 가시광 파장을 미-산란시키기 때문에 백색으로 관찰된다.

#2. 어두운 구름은 왜 어두운가? 구름의 두께와 구름의 반사율, 투과율, 흡수율은 어떤 관계를 가지는가?

일반적으로 두꺼운 구름의 경우 구름 자체가 내부 층위 수준에서 흡수하는 태양광의 양이 많으며, 또한 구름의 태양광에 대한 투과율이 작기 때문에 운저서 어둡게 관측된다.

일반적으로 두꺼운 구름일수록 구름의 반사율과 흡수율은 높고, 투과율은 낮다.

#3. 산란에는 레일리 산란과 미-산란이 있음이 알려져 있다. 각각은 입자 직경과 광의 파장이 어떤 관계에 있을 때 일어나는가? 각 산란 종류에서 전방산란과 후방산란의 정도와 대칭성은 어떠한가?

레일리 산란은 입자의 크기가 광의 파장에 비하여 압도적으로 작은 경우($D << \lambda$)에 발생한다. 레일리 산란의 경우는 전방산란과 후방산란이 대칭적으로 나타나는 것이 특징이다.

미-산란은 입자의 크기가 광의 파장과 비슷하거나 작은 경우($D \approx \lambda$)에 발생한다. 미-산란의 경우는 전방산란이 후방산란에 비하여 크게, 즉 비대칭적으로 나타나는 것이 특징이다.

#4. 하늘은 왜 푸른가?

하늘이 푸른 이유는 태양광이 지구 대기층을 통과하면서, 주로 산란이 잘 되는 청색가시광 영역의 광이 주로 지표의 관측자에게 도달되기 때문이다.

(Recall: 빛은 파장이 짧을수록 산란이 잘 일어난다)

#5. 후광이란 무엇이며, 왜 후광이 나타나는가?

안개나 먼지 등의 입자 뒤로 광원이 있는 경우, 더욱 밝게 광이 퍼져 보이는 현상을 후광이라 한다. 일반적으로 이러한 후광 효과는 미-산란의 결과로 이해할 수 있다. 안개나 먼지 입자는 일반적으로 그 입자가 크므로 미-산란이 일어나 큰 전방 산란이 발생할 수 있으며, 이 결과가 후광인 것이다.

#6. 여명기의 노을은 왜 붉게 관찰되는가? 노을은 어떤 경우에 더 붉게 관찰될 수 있는가? 녹색 섬광은 무엇을 말하는가?

낮은 고도에 태양이 위치하는 경우, 즉 여명기에 태양은 지구 대기를 통과하면서 주로 단파장역에 해당하는 청색가시광 영역대의 광은 산란되어 버리고 덜 산란된 장파장대, 즉 적색가시광 영역대의 광이 도달하여 붉은 노을로 관찰된다.

일반적으로 노을은 태양광이 도달해야 하는 광학적 투과거리가 길수록, 즉 고도가 낮을수록 더 붉게 관찰되는데, 광학적 투과거리가 더 길어짐에 따라 청색가시광 영역의 광이 더 많이 산란되어 버리기 때문이다.

녹색 섬광이란 여명기의 노을 중앙 상부에 짧은 시간(주로 1초 내외) 동안 관찰되는 녹색 섬광으로, 이는 지구 대기에 의한 저고도상의 태양광의 굴절과 산란의 결과로 이해할 수 있다.

#7. 빛의 굴절이란 무엇인가? 빛의 굴절은 각각의 서로 다른 밀도의 매질 사이의 경계면에서 어느 방향으로 일어나는가?

빛이 그 밀도(진행 속도)가 다른 매질 사이의 경계면서 진행 방향이 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라 한다. 일반적으로 빛의 굴절은 스넬의 법칙을 따르지만, 개략적으로 그 굴절 방향을 설명해볼 수 있다.

경계면서 저밀도 매질서 고밀도 매질로 빛이 진행하는 경우, 굴절은 법선에 가까워지는 방향으로 일어난다. 반면, 경계면서 고밀도 매질서 저밀도 매질로 빛이 진행하는 경우, 굴절은 법선서 멀어지는 방향으로 일어난다.

#8. 빛의 굴절에 의해서는 별이나 태양의 위치가 왜곡될 수 있다. 어떻게 구체적으로 왜곡되는가? 태양 위치의 왜곡에 의해서는 어떤 효과가 유발될 수 있는가?

빛의 굴절에 의해서는 별의 위치가 실제 보이는 것보다 더 낮은 고도에 위치한 것으로 관측될 수 있다.

한편, 태양의 경우 지구 대기의 굴절에 의하여, 실제 더 낮은 위치에 있음에도 일출이 2분 가량 빨리 관측될 수 있으며, 마찬가지의 과정에 의해 일몰이 2분 가량 늦게 관측된다.

#9. 신기루란 무엇인가? 신기루는 위 신기루와 아래 신기루의 두 종류로 구분 가능하다. 각각을 정의하면? 각각은 어떤 대기 연직 기온 분포 조건서 형성되는가?

일반적으로 실제 물체가 위치하지 않은 곳에 물체가 위치하게 되는 것처럼 보이게 되는 착시 현상을 신기루라 하며, 일반적으로 광학적 신기루는 빛의 굴절에 의하여 형성된다.

신기루는 위 신기루와 아래 신기루의 두 종류로 구별 가능하다.

위쪽에 생기는 신기루를 위 신기루라 한다. 위 신기루는 상층이 온난한 조건, 즉 역전층 조건에서 발달한다. 위 신기루는 위쪽에 위치한 물체에서 반사된 빛이 대기 조건에 의하여 아래 방향으로 꺾이며 관측자의 눈에 도달하기 때문에, 실제 물체의 위치보다 위쪽에 형성되는 상이다.

아래쪽에 생기는 신기루를 아래 신기루라 한다. 아래 신기루는 하층이 온난한 조건, 즉 열적 대기 불안정 조건에서 발달한다. 아래 신기루는 아래쪽에 위치한 물체에서 반사된 빛이 대기 조건에 의하여 위 방향으로 꺾이며 관측자의 눈에 도달하기 때문에, 실제 물체의 위치보다 아래쪽에 형성되는 상이다.

아래 신기루는 특히 하늘에 대하여 형성되는 경우 지표상에 수괴가 있는 것처럼 착각을 유도할 수 있다. 대표적인 사례가 당장 오아시스이다.

#10. 빙정에 의해서 태양 주변에는 무리, 무리해, 해기둥 등이 형성될 수 있다. 이들 각각은 무엇을 말하는가? 이러한 광학 현상의 원인은?

빙정에 의하여 발생할 수 있는 태양 주변의 광학 현상은 무리, 무리해, 해기둥 등이 있다.

무리는 해 주변에 전방위적으로 관측되는 얇은 광환으로, 22도 무리와 46도 무리가 있다.

무리해는 해의 양쪽에 관측되는 광퍼짐이다.

해기둥은 태양의 상하에 관측되는 광기둥이다.

무리, 무리해, 해기둥은 태양과 관측자 사이에 빙정이 위치하는 경우에 빙정에서의 광 굴절로 인하여 발생 가능하다. 일반적으로 이러한 무리, 무리해, 해기둥을 일으키는 빙정은 육각 기둥 빙정으로 알려져 있다.

#11. 무지개란 무엇이며, 언제 형성될 수 있는가? 무지개는 1차 무지개와 2차 무지개로 나누어진다. 둘은 무엇이 다른가?

해를 등지고 수적 지역을 바라볼 때 관찰되는 다색의 광환을 무지개라 한다. 무지개는 1차 무지개와 2차 무지개로 나눌 수 있다.

1차 무지개는 물방울 내부에서 전반사가 1번 일어나 형성되는 무지개이다. 1차 무지개는 상대적으로 선명하고 밝으며, 바깥쪽이 적색, 안쪽이 자색을 보인다. 1차 무지개에서는 총 2번의 굴절과 1번의 전반사가 일어난다.

2차 무지개는 물방울의 내부서 전반사가 2번 일어나 형성되는 무지개이다. 2차 무지개는 2번의 전반사에 의한 에너지 손실로 상대적으로 어둡고 흐릿하며, 안쪽이 적색, 바깥쪽이 자색을 보인다. 2차 무지개에서는 총 2번의 굴절과 2번의 전반사가 일어난다.

1차, 2차 무지개의 광경로를 그리는 경우는 2개의 물방울에 평행 백색광이 입사하는 경우를 상정하는 것이 편하며, 단파장광(청색가시광)일수록 굴절이 더 심하게 일어나는 것을 감안하는 것이 좋다.