December 10,2019

떠오르는 해는 왜 아름다울까?

오염물질이 해돋이의 아름다움 훼손

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새해가 되면 해가 떠오르는 것을 보기 위해 많은 사람들이 바다를 찾는다. 수평선 위로 막 솟아오르는 오메가(Ω) 모습의 해을 보면서 강한 생명력을 느끼게 된다. 실제로 ‘노란 작은 별’ 태양은 지구 에너지의 원천이다.

28일 ‘포브스’ 지는 태양과 관련된 연구보고서를 기반으로 대중이 알아야 할 ‘해돋이에 대한 과학’을 소개했다. 태양이 동쪽에서 떠오르는 이유는 자전 때문이다. 지구 스스로 동쪽으로 회전하고 있어 지구에서 보면 동쪽에서 떠오르는 것처럼 보인다.

해돋이 때 하늘이 주홍색으로 빛나는 것은 태양빛이 파장이 작은 푸른 입자들을 흩어버리면서 주홍색 입자들이 남아 있기 때문이다. 최근 태양 연구로 그동안 숨겨져 있던 새로운 사실들이 밝혀지고 있다.   ⓒWikipedia

해돋이 때 하늘이 주홍색으로 빛나는 것은 태양빛이 파장이 작은 푸른 입자들을 흩어버리면서 주홍색 입자들이 남아 있기 때문이다. 최근 태양 연구로 그동안 숨겨져 있던 새로운 사실들이 밝혀지고 있다. ⓒWikipedia

지구온난화로 지구 자전축 동쪽으로 이동    

지구 적도에서 보면 지구는 시속 1669km의 속도로 돌고 있다. 그러나 지구가 구체(球體)가 아닌 타원형의 편구체(偏球體)이기 때문에 위도에 따라 회전 속도가 다르다. 각 위도에서 자전 속도를 알려면 그 위도면의 둘레를 24시간으로 나눠주면 된다.

그런데 만일 지구 자전이 멈추면 어떤 일이 일어나게 될까? 그렇다 하더라도 지구에서는 지구 자전이 멈춘 사실을 느끼지 못한다. 비행기를 타고 있을 때 비행기가 빠른 속도로 나르고 있다는 것을 느끼지 못하는 것과 같은 원리다.

지구의 자전축은 조금씩 변하고 있다. 현재의 지구 자전축 기울기는 23.5˚다. 그러나 고정적인 것이 아니다. 회전 운동을 하고 있는 물체의 회전축이 움직이지 않는 어떤 축의 둘레를 회전하는 세차운동을 하면서 22.1˚에서 24.5˚ 사이에서 변화하고 있다.

2.4˚가 바뀌기 위해서는 약 4만1000년이 걸리는 것으로 추산되고 있다. 우려되는 것은 지구 자전축이 이동하고 있다는 점이다. 지난해 4월 NASA(미 항공우주국)은 캐나다를 향해 있던 자전축이 영국이 있는 동쪽으로 이동하고 있다고 밝혔다.

유사한 발표가 지난 2000년에도 있었다. 이런 현상이 벌어지고 있는 것은 지구온난화로 극지에 있던 빙하가 급속히 줄어들면서 지구 자전운동에 변화가 발생했기 때문이다. 통계에 따르면 매년 그린란드에서 2370억 톤, 남극에서 1340억 톤의 빙하가 사라지고 있다.

매일 아침 태양이 떠오를 때 하늘이 왜 주홍색(orange-reddish color)으로 빛나는지에 대해서도 의문이 제기될 수 있다. 산란(散亂, scattering) 현상 때문이다. 파동이나 빠른 속도의 입자선이 분자·원자·미립자 등과 충돌해 운동방향을 바꾸고 흩어지는 현상을 가리킨다.

주홍색 하늘빛은 산란현상의 결과    

기체, 액체, 고체 내부에서 모두 일어나지만, 고체나 액체에서는 산광이 합성되어 굴절광이나 반사광으로 보이는 경우가 더 많다. 산란현상은 ‘미(Mie)’, ‘레일리(Rayleigh)’, ‘틴들(Tyndall)’, ‘브릴루앙(Brillouin)’, ‘라만(Raman)’ 등으로 다양하게 나타났다.

그 중에서 가장 일반적인 현상은 ‘레일리’와 ‘미’ 현상이다. ‘레일리’란 산란된 입자의 크기가  빛의 파장과 비교해 작은 것을 의미한다. ‘미’ 현상이 일어날 때는 입자 크기가 빛 파장과 동일한 상태를 유지하게 된다.

태양이 떠오를 때(혹은 질 때)도 산란현상이 일어난다. 태양 빛이 지구 표면을 둘러싸고 있는 대기(大氣)를 지나치게 되는데 짧은 빛 파장에서 생성되는 블루(blue)와 보라색(violet)색을 흩어서 사라지게 한다.

남는 것은 옐로(yellow), 오렌지(orange), 레드(red)와 같은 긴 파장의 색깔들이다. 이들 색깔들이 뒤섞여 찬란한 주홍색을 창출하게 된다. 그러나 태양이 높이 떠올랐을 때는 정반대의 현상이 일어난다.

태양 빛으로 인해 블루와 보라색 계통의 빛이 엄청난 양으로 반사되고, 또한 흩어지기 때문에 하늘이 파란 것처럼 보인다. 최근 궁금증을 증폭시키는 일은 먼저와 오염물질이 하늘의 색을 어느 정도 바꿔놓느냐는 것이다.

어떤 사람들은 먼지, 오염물질이 해돋이와 석양빛을 더 밝게해 준다고 주장한다. 그러나 그것은 잘못된 생각이다. 최근 펜실베이니아 대학 기상학자 스티븐 코피디(Stephen Corpidi) 박사 연구 결과에 따르면  실제로 정반대의 현상이 일어난다.

오염물질이 해돋이를 추하게 만들어   

보통 도시 스모그나 실안개에서 나타나는 오염물질의 크기는 0.5~1 um(1um은 1000nm) 크기다. 이 입자들의 크기는 너무 커서 작은 입자가 산란되는 레일리 현상, 중간 크기의 입자가 산란되는 미 현상을 위해 적합지 않은 크기다.

만일 먼지와 오염물질이 동일한 크기라고 한다면 하늘의 찬란한 주홍색을 더 강하게 할 것이다. 그러나 이들 물질의 크기와 성질이 워낙 다양하기 때문에 하늘색을 묘하게 변화시킨다. 이를테면 한낮 푸른 하늘을 회색와 흰색으로 변하게 한다.

마찬가지로 주홍색으로 찬란하게 빛나야 할 해돋이 색깔을 노랗거나 핑크 빛깔로 바꾸어놓는다. 간혹 태양과 달의 색깔이 이상하게 변하는데 이 역시 먼지와 오염물질이 아름다운 태양과 달의 원래 색깔을 바꿔놓기 때문이다.

구름이 해돋이(혹은 석양) 색깔을 바꾸어놓는다는 주장도 있다. 코피디 교수 연구 결과에 따르면 많은 경우 다양한 구름 모양이 하늘 색깔을 멋지게 만들어준다. 마치 극장 무대에 있는 커튼처럼 주홍 색깔을 반사해 이를 지상에 뿌려주면서 아름다운 광경을 연출하게 된다.

해돋이(혹은 석양) 색깔을 아름답게 꾸며주는 것은 높이 있는 구름들이다. 이들 구름들은 지구 가까이에 떠도는 물질들로부터 영향을 받지 않기 때문에 있는 그대로의 색깔을 반영하게 된다. 비가 직후 하늘이 아름다운 것과 같은 이치다.

인간 삶에 있어 태양처럼 중요한 별이 없다. 사람의 생명을 좌우하는 위치에 있다고 할 수 있다. 최근 과학자들은 태양 연구를 위해 특수 제조된 우주선을 태양으로 발사하는 등 다양한 연구를 수행하고 있다. 해돋이의 비밀이 더 밝혀질 수 있기를 기대한다.

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