태양·구름·얼음이 만든 빛의 마술, ‘불꽃 무지개’

곽노필의 미래창
구름 속 얼음 결정에 굴절된 빛
물방울이 만드는 무지개와 달라

북위 39도에 위치한 미국 웨스트버지니아주 노스포크산 인근에서 촬영한 ‘불꽃 무지개’. 미국항공우주국 제공

푸른 하늘을 배경으로 마치 구름에 불이 붙은 듯 구름 위에서 아지랑이처럼 일렁이고 있는 이것은 무엇일까.

푸르고 불그스레한 색이 나란히 배열돼 있는 형체로 보아 무지개를 연상시키지만, 우리가 익히 알고 있는 아치형 무지개와는 사뭇 다른 모습이다.

최근 미국 항공우주국(나사)이 ‘오늘의 천문 사진(APOD)’을 통해 소개한 이 희귀한 기상 현상의 정식 명칭은 ‘환수평호(Circumhorizontal Arc)’다. 화염이 타오르는 듯한 형상 때문에 ‘불꽃 무지개(Fire Rainbow)’라는 별칭으로 더 잘 알려져 있다.

미국 웨스트버지니아주 노스포크산 인근에서 촬영한 것으로, 대기 중에서 일어나는 정교한 빛의 물리적 작용이 만든 자연 예술이다.

불꽃 무지개는 이름과 달리 불이나 일반적인 무지개와는 직접적인 관련이 없다. 일반 무지개가 대기 중의 ‘물방울’에 햇빛이 반사·굴절되어 나타나는 현상이라면, 불꽃 무지개는 높은 하늘에 떠 있는 구름 속 ‘얼음 결정’이 프리즘처럼 작용해 빛을 굴절시키면서 만들어지는 스펙트럼 띠다.

남위 32도에 위치한 아르헨티나 산타페주 토토라스에서 촬영한 ‘불꽃 무지개’. 국제기상기구 제공

불꽃 무지개를 만드는 세 가지 조건

이 현상이 나타나기 위해서는 몇 가지 까다로운 기상학적 조건이 동시에 충족돼야 한다. 우선 6000m 이상의 높은 고도에서 얇은 권운(새털구름)이 하늘을 덮고 있어야 한다. 이 고도에선 기온이 매우 낮기 때문에 구름 속 물방울이 얼음 결정으로 변한다. 또 권운 속의 얼음 결정들이 지표면과 수평 방향으로 정렬돼야 한다. 마지막으로 가장 중요한 조건은 태양의 고도다. 태양이 하늘에서 최소 58도 이상 높은 각도로 떠 있어야 한다. 태양의 고도가 68도에 도달할 때 가장 선명하게 나타난다. 북위 55도 이북 또는 남위 55도 이남 지역에선 태양의 고도가 항상 58도보다 낮기 때문에 이 현상을 볼 수 없다.

세 조건이 충족되면 햇빛이 수평으로 정렬된 육각형 얼음 결정의 상단 수평면으로 들어와 측면 수직면으로 빠져나갈 때, 굴절률에 따라 빛이 각 색상별로 분산되면서 지평선과 평행한 가로 형태의 무지갯빛 띠가 완성된다. 항상 붉은색은 위쪽에, 보라색은 가장 아래쪽에 나타난다.

불꽃 무지개가 주로 나타나는 때는 태양 고도가 충분히 높아지는 여름철 낮이다. 하지만 세 가지 조건이 맞아떨어져야 하기 때문에 실제로 일어나는 일은 매우 드물다.

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr