[광학] 하늘은 왜 파랄까? (Feat. 레일리 산란 Rayleigh Scattering)

밤 하늘

빛은 알다시피 매질을 통해 전파됩니다. 태양으로부터 뿜어져 나온 전자기파가 이제 지구로 들어오게 되면요,

입사된 전자기파들은 지구의 열권,중간권,성층권쪽에서 존재하는 공기 산란자(Scatter)들에 의해 산란이 되게됩니다.

우리는 이 과정에서 보라색 영역과 파란색 영역대의 가시광선이 산란되기 때문에 위 사진과 같은 하늘색을 보게됩니다. 

 

그러면 이제 이것을 좀 더 자세히 알아봅시다. 

공기 중에서는 질소와 산소가 거의 주를 이룹니다. 이들이 가지고 있는 공명진동수는 가시광선이 아닌 UV,IR영역에서 존재하기 때문에 가시광선 영역에서는 '흡수'가 아닌 산란이 일어나게 됩니다. 

 

전자기파가 이제 질소와 산소입자와 만나 이들 주위를 돌고있는 '전자구름'을 오실레이션 시키게 됩니다. 그러면 오실레이션됨으로써, dipole들의 Radiation이 일어나게 됩니다. 그림으로 보면 아래와 같습니다.

전자기파가 공기 중의 입자와 만나 오실레이션이 일어난 뒤, 다이폴에 의해 방사상으로 퍼져나가는 것을 보이고 있습니다. 고체와 달리 기체의 경우는 저렇게 방사형으로 (모든 방향으로) 퍼져나가는 것이 핵심입니다. 

저렇게 퍼져나갔을 때, 만약 산란자들이 적당한 거리만큼 떨어져있었다면  서로 간섭을 하지 않는 상태겠죠?

이러한 상태일 때를 레일리 산란이라고 부릅니다. 

 

즉, 레일리 산란의 조건은 요약하자면 다음과 같습니다.

1. 입자의 크기가 전자기파의 크기보다 훨씬 작아야 한다. 대략 1/15

2. 산란시키는 원자들 간의 간격이 파장보다 커야한다. 

 

여기까지 대략적인 빛의 산란에 대해 알아보았고, 바로 다음 포스팅에서는 이제 보다 수학적으로 접근해보도록 하겠습니다.