푸른 지구 붉은 화성, 빛이 그린 하늘색 [유레카]

가을이 오면 하늘빛이 달라진다. 유난히 청명하고 파랗다. 그래도 석양이 지면 붉게 물들고, 밤에는 까맣게(캄캄하게) 바뀐다. 한자 천자문은 ‘천지현황 우주홍황’으로 시작한다. 실제로 하늘은 검고, 우주는 넓고 거칠다. 하늘 색깔의 변화는 빛과 인간 시각이 빚어내는 과학의 조화다. 빛의 파장, 그리고 지구의 대기와 자전 운동이다.

빛은 입자이자 파동이다. 인간의 눈에는 빛을 감각하는 두 종류의 시각세포가 있다. 간상세포는 어두운 환경에서 빛의 강약(명암)을, 원추세포는 밝은 환경에서 빛의 색깔을 감지한다. 맨눈으로 볼 수 있는 가시광선의 파장은 380~750㎚(나노미터)다. 인간의 눈과 두뇌는 다른 파장의 빛을 다른 색깔로 인식한다. 눈 망막에 있는 세 종류의 원추세포가 각각 짧은 파장(파란색), 중간 파장(초록색), 긴 파장(빨간색)의 빛을 감지하면 뇌는 이 세가지(빛의 삼원색)를 조합해 최소 100만개의 색을 구별한다.

빛은 정반대 위상의 두 파동이 중첩돼 소멸(상쇄간섭)되지 않는 한 보탤수록 밝다. 태양은 맨눈으로 볼 수 없을 만큼 강렬한 백색광이다. 이 빛이 지구의 대기를 통과하면서 기체 분자들과 부딪쳐 산란하는데, 파장이 짧은 파란빛이 더 잘 부서진다. 낮에 하늘이 파란 이유다. 대기에 수분이나 먼지가 많으면 산란한 빛의 색깔이 탁해진다.

가을 하늘은 고기압의 영향으로 습도가 낮고 높은 고도의 산란까지 잘 보여 훨씬 맑고 시리게 푸르다. 붉은 석양도 원리는 같다. 해가 지평선으로 내려올수록 태양 빛이 대기를 통과하는 경로가 길어져 빛의 산란이 많아진다. 산란이 잘되는 짧은 파장 파란빛은 그동안 흩어져버리고, 긴 파장의 붉은 계열 빛이 많이 남아 시야까지 닿는다.

달이나 다른 행성에선 어떨까? 달은 대기가 없어 빛의 산란도 없다. 그래서 늘 밤하늘인데 수많은 별 중 태양이 유독 크고 밝을 뿐이다. 반면 화성은 대기가 지구의 1% 수준으로 매우 엷고 붉은 먼지(산화철 입자)가 많다. 그래서 화성의 하늘은 지구와는 거꾸로 낮에는 탁한 주황색, 태양광의 대기 투과 경로가 길어지는 저녁엔 옅은 푸른색을 띤다.

창백하게 푸른 점, 우주에서 보는 지구는 아름다운 행성이다. 지구에서 보는 하늘도 아름답다. 뭐든 아는 만큼 보이지만 가을 하늘을 감상하기 위해 꼭 과학 원리까지 알아야 하는 건 아니다. 낮이든 밤이든, 자주 가슴을 펴고 하늘을 보면 좋겠다. 눈이 부시게 푸르른 날은 그리운 사람을 그리워도 해보자.

조일준 텍스트팀 선임기자 iljun@hani.co.kr