0. 목차
- 무지개가 생기는 이유
- 무지개가 원호를 그리는 이유
- 무지개의 색깔
- 여러 가지 무지개
1. 무지개가 생기는 이유
하늘을 수놓는 무지개는 아름답다. 하지만 무지개가 항상 하늘에 걸려있는 것은 아니다. 그러면 하늘에 걸리는 무지개는 어떤 조건에서 나타나는 것일까?
우리가 무지개를 보고 있을 때 배후에는 태양이 있고, 시선의 끝에는 미세한 물방울이 떠 있다. 비가 갠 뒤에 무지개를 만날 확률이 높은 이유는 이 조건이 갖추어지기 쉽기 때문이다. 무지개는 보는 사람을 두고, 태양과 반대 방향에 나타난다. 태양이 낮은 위치에 있을 때 무지개는 높은 위치에 보이고, 반대로 태양이 높은 위치에 있을 때 무지개는 낮은 위치에 보인다.
2. 무지개가 원호를 그리는 이유
무지개는 '원호(Circular Arc)' 모양을 그린다. 그러면 무지개는 왜 원호를 그릴까? 무지개의 모양에 대해 고찰해 본 사람 중에는 프랑스의 철학자이자 수학자인 '르네 데카르트(René Descartes, 1596~1650)'가 있다. '르네 데카르트'는 '굴절의 법칙(Law of Refraction)'을 이용해, 물방울 내부에서 반사되어 나오는 빛의 경로를 계산해 보았다. 빛이 물방울에 들어가고 나올 때 '굴절(Refraction)'이 일어난다. 그런데 물방울 안에서 1회 반사한 빛은 아무 방향으로 나아가는 것이 아니라, 입사한 방향과 약 42°를 이루는 방향으로 집중되어 나간다. 즉, 공중에 있는 무수한 물방울 각각에서 태양빛과 약 42°를 이루는 방향으로 나아간다. 그들 가운데, 관측자의 눈에 도달하는 빛을 이으면, 아래의 그림처럼 관측자에서의 각도가 42°인 원뿔면이 된다.
무지개 관측자에게는 무지개가 특정한 거리에 다리가 걸쳐진 것처럼 보이는데 실은 원뿔면 위의 무수한 물방울에서 도달하는 빛의 합계를 보고 있는 것이다. 그래서 아무리 무지개를 추적해도 같은 방향에 보일 뿐이고, 결코 무지개의 근원에는 도달할 수 없다. 즉, 무지개는 실체로 존재하는 것이 아니다. 또 무지개는 원뿔면의 방향에 형성되기 때문에, 지표면이 방해하지 않고 적당한 물방울이 원형으로 보인다.
3. 무지개의 색깔
무지개에 여러 가지 색깔이 생기는 이유는 물방울에 빛이 들어가고 나올 때, 파장마다 굴절되는 각도가 조금씩 다르기 때문이다. 이는 프리즘에서 빛의 파장이 분해되는 것과 같다. 예컨대, 빨간색은 42°방향으로 나아가지만, 보라색은 40° 방향으로 나아간다. 그래서 안쪽은 보라색, 바깥쪽은 빨간색으로 보이게 된다.
물방울 안에서 빛이 2회 반사하여 생기는 무지개도 조건이 좋으면 관찰할 수 있다. 이 무지개는 1차 무지개의 바깥쪽에 연한 무지개인 '제2차 무지개(secondary bow)'로 관찰된다. '제2차 무지개'의 빛은 태양광의 방향과 '50°(빨간색)'~'54°(보라색)'를 이루는 방향으로 나아간다. '제2차 무지개'는 빨간색과 보라색의 물방울에서 굴절되어 나아가는 각도의 대소 관계가 '제1차 무지개(Primary bow)'와 반대가 된다. 그래서 '제1차 무지개'와 '제2차 무지개'의 색깔의 순서는 정반대가 된다.
4. 여러 가지 무지개
4-1. 달의 무지개(Moonbow)
무지개가 낮에만 나타나는 것은 아니다. 조건이 성립되면 '달빛(Moonlight)'이 물방울을 비추어서 생기는 무지개도 있다. 이처럼 달빛의 굴절로 생기는 무지개를 '달의 무지개(Moonbow)'라고 한다.
아래의 사진은 하와이 제도에서 3번째로 큰 북부의 섬인 '오아후(Oahu)'에서 찍은 '달의 무지개'이다. 아래의 사진에서 '달의 무지개'는 무지개색으로 보이지만, 맨눈으로는 백색으로 보인다. 어두울 때, 사람의 눈은 '색깔 식별'에 약하기 때문이다.
4-2. 반사 무지개(Reflection Rainbow)
아래의 사진에는 '제1차 무지개'와 '제2차 무지개'를 잇는 무지개가 중간에 이어져 있다. 이러한 무지개를 '반사 무지개(Reflection Rainbow)'라고 한다. 그래서 전체적으로는 N자 모양의 무지개처럼 보인다. 이 무지개는 수면에 반사한 태양빛이 공중의 물방울 안에서 반사한 태양빛이 공중의 물방울 안에서 반사해 생긴 것이다. 이와 같은 무지개는 일반적인 무지개의 바로 위에 나타난다. 또 수면에도 무지개가 보인다. 이 무지개는 물방울에서 반사한 빛이 수면에 반사에 눈에 도달한 것이다.
그러면 '반사 무지개'는 어디에 생길까? 일반적인 무지개는 관측자가 있는 '대일점(천구상에서 태양으로부터 180도 떨어진 정반대의 장소)'을 중심으로 하여 '원호(circular arc)'로 보인다. 수면에 대해 실제 태양과 대칭 위치에 있는 가상의 태양을 생각하자. 그 가상 태양의 대일점 주위에 가상의 무지개가 보이게 된다.
4-3. 흰 무지개(Fog Bow)
물방울이 매우 작으면 '반사(Reflection)', '굴절(Refraction)' 이외의 현상의 영향이 커진다. '흰 무지개'는 빛의 '회절' 현상에 의해 만들어진 것이다. '회절(Diffraction)'은 빛이 작은 구멍을 지날 때, 또는 극히 작은 장애물에 충돌했을 때 한 방향으로 진행하지 않고 퍼져서 진행하는 현상이다. 물방울에서 나온 빛이 회절을 일으키면, 굴절에 의해 나누어진 빛도 다시 겹쳐진다. 극단적인 경우에는 모든 색이 섞여서 백색으로 돌아간다. 이리하여 '폭이 넓고 흰 무지개'가 생기게 된다. 이처럼 안개 속에 나타나는 백색 무지개를 '흰 무지개(Fog Bow)'라고 한다.
아래의 사진은 '사진 작가 '멜빈 니콜슨(Melvin Nicholson)'씨가 2016년 11월 20일에 '스코틀랜드(Scotland)' 서부의 황무지 위'에서 포착한 흰색 '안개 무지개(fog bow)'이다. '멜빈 니콜슨(Melvin Nicholson)'씨는 ABC News와의 인터뷰에서 '글렌코(Glencoe)' 마을 근처의 Rannoch Moor를 탐험하다가 드문 기상 현상을 포착했다고 밝혔다. '멜빈 니콜슨'씨는 아침에 친구가 아름다운 나무를 알고 있다고 해서 외출 중이었다고 한다. 친구가 말한 나무는 바로 아래의 사진 중앙에 있는 나무이다. 그들이 나무에 도착했을 때, 그는 그 지역이 믿을 수 없을 정도로 안개가 자욱하다는 사실을 알아차렸다고 한다. '그때 태양이 우리 뒤에서 떠오르기 시작하여 안개를 태우고 그 지점에서 안개꽃이 나타났다.'고도 회상했다.
4-5. 붉은 무지개
아래의 사진은 무지개의 고도가 높은 것으로 보아, 태양의 고도가 낮은 새벽이거나 저녁때임을 알 수 있다. 태양 고도가 낮을 때의 태양빛은 대기를 길게 통과하기 때문에 푸른색 빛이 사라진다. 이것이 '아침노을(Morning Glow)'과 '저녁노을(The evening glow)'의 원인이다. 그래서 일반적으로는 희미하게 희고 밝은 무지개의 안쪽이, 이 무지개에서는 붉게 물들어 있다.
4-6. 과잉 무지개
'제1차 무지개'의 바로 안쪽을 보면 몇 층의 무지개가 보이는 경우가 있다. 이처럼 여러 개의 무지개가 증폭된 무지개를 '과잉 무지개'라고 한다. 이런 경우, 배후에서 오는 빛이 약한 이유 등으로, 조건이 갖추어지지 않으면 여간해서는 볼 수 없다. 하지만 원리적으로는 어느 무지개에서나 일어난다.
과잉 무지개는 물방울 안에서 반사된 두 가닥의 평행 광선이 겹친다. 이것을 '간섭(interference)'이라고 한다. 두 가닥의 평행 광선에 빛의 파동의 마루와 마루, 골과 골이 겹치면 빛은 보강되어 서로 강해진다. 한편, 마루와 골이 겹치면 빛은 서로 약해진다. 물방울에서 어느 각도로 나오는 두 가닥의 평행 광선은 서로 약해지고, 거기에서 약간 어긋난 각도로 나오는 두 가닥의 평행 광선은 서로 강해진다. 이렇게 해서 제1차 무지개의 안쪽에 줄무늬 모양의 '농담(짙음과 옅음)'을 가진 무지개가 생길 수 있다.
사진작가 '존 엔트위슬(John Entwistle)'씨는 미국 '뉴저지(New Jersey)'에 있는 자신의 집 마당에서 일몰을 촬영하다가 무려 5개의 무지개가 동시에 뜨는 광경을 목격했다고 한다. 아래의 사진은 당시 '존 엔트위슬'씨가 찍은 5개의 무지개가 동시에 뜬 사진이다. 이러한 무지개도 '과잉 무지개'라고 할 수 있다.
4-7. 광륜(光輪)
아래의 사진은 날아가는 비행기에서 촬영한 것으로, 비행기의 그림자 주위에 생긴 무지갯빛의 고리가 보인다. 이것은 '광륜(光輪)' 또는 '글로리(glory)'라고 불리는 현상이다. 태양을 뒤로하고 무지갯빛의 고리가 보이는 점은 무지개와 비슷하다. 하지만 이것은 무지개와는 다른 현상이다. '광륜'은 안개 같은 아주 작은 물방울이나 얼음의 결정에 빛이 닿아 '회절(Diffraction)'이 일어남으로써 나타난다. '회절'의 정도는 '파장'에 따라 다르고, '물방울의 크기'에 따라서도 다르다. 그래서 안개의 입자가 적합하면, 빛의 색깔이 깨끗이 나누어져 광륜도 빛이 난다.
산에 올라갔을 때, 눈앞의 안개에 자신의 그림자와 더불어 빛의 고리가 나타나는 '브로켄 현상(Broken phenomenon)'도 같은 메커니즘으로 일어난다.
4-8. 광환(光環)
아래의 사진을 보면, 엷은 구름 속을 지나는 '달빛'이 무지개색의 고리를 만들어내고 있다. 이것을 '광환(光環)' 또는 '코로나(Corona)'라고 한다. 이 현상도 '광륜'과 같은 '회절'의 결과로 생긴다. 태양광에서도 생기긴 하지만, 태양은 눈부시기 때문에 보기가 어렵다. '광륜'은 '태양 광선'이 안개나 구름을 비추고, 다시 태양의 방향으로 향하도록 회절한 빛을 보는 것이다. 한편, '광환'은 구름을 비추는 빛을, 구름을 지나 볼 수 있는 것이다.
