5월의 작은 선인장

지는 태양 윗쪽이 녹색으로 보이는 이유는?

이 현상은 흔히 보기 힘든 색수차라는 현상에 의한 결과이다.
색수차를 간단히 설명하자면 투명한 물질의 굴절율은 수학적인 텐서(Tensor)로 구성되는데, 이 텐서는 방향과 빛의 파장 (그리고 매우 영향이 적지만 온도) 의 영향을 받는 물리량이다. 이 물리량은 계산이 매우 복잡하므로 일반적으로 굴절율이라는 단순한 상수를 대신 사용하는데, 굴절율이라는 것은 텐서를 간단히 해 놓은 것으로 빛의 파장에 영향을 받아서 물질을 통과한 빛이 분리되는 결과가 나타나게 된다. 이렇게 빛이 분리되는 것을 색수차라고 한다.

오른쪽 그림을 보면 단일광선이 프리즘을 통과한 뒤에 우리 눈에 보이는 과정을 간략하게 볼 수 있다.  그림의 일이 공기중의 다량의 물방울에서 발생한다면 우리는 무지개를 볼 수 있을 것이다. 그림에서 빨간색이 윗쪽에 나타나듯이 무지개에서는 빨간색이 윗쪽(정확히는 바깥쪽 - 무지개는 땅이 없다면 원형으로 보일 것이기 때문이다.)에서 보여질 것이다.

하나의 단일한 프리즘의 면을 투과해 들어가는 과정에서 빨간색과 파란색이 분리되는 현상 자체을 색수차라고 하지는 않을 것이지만 색수차와 똑같은 현상이다. 프리즘에서 빛이 색깔별로 분리되듯이 렌즈에서는 빛의 파장에 따라서 촛점거리가 미묘하게 달라지는데 이를 색수차라고 부른다. (단지 렌즈에서 발생한다고 해서.....)

색수차는 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는데, 사진을 찍을 때 역광에서 쉽게 볼 수 있다. 사진을 역광으로 찍으면 피사체의 형상 안쪽으로 보라색이나 파란색의 번짐을 발견할 수 있는데, 이 것이 색수차의 영향이다.

일단 태양의 모습을 대략 그렸다.

1번 그림은 높은 고도에 있는 태양의 모습인데 거의 완전한 원의 모습을 하고 있다.
2번 그림은 태양이 지평선(수평선)에 다가감에 따라서 점차 위아래가 눌린 타원의 모습으로 바뀌어 간다. 이 때 맨 꼭대기엔 녹색의 부분이 나타나는 것을 보기 바란다.
여기서 녹색 부분이 보인다고 했지만, 사실상 맨 눈으로 이 부분을 볼 수 있는 사람은 없다. 일반적인 카메라의 광학 줌 당김으로는 이 녹색 부분이 관찰되지 않는다. 따라서 사진으로 이 녹색 부분을 담고 싶다면 좋은 카메라와 함께 망원렌즈가 필요하다.
3번 그림은 태양이 지평선(수평선) 밑으로 막 졌을 때를 나타내는 그림인데, 가만히 들여다보면 몇 초동안 아직 녹색이 남아있는 것을 볼 수 있다.

이런 현상이 왜 일어나는지를 설명하기 위해서는 참고도가 필요하겠다. ^^

간단하게 볼록렌즈를 하나 그리고 이를 바탕으로 설명을 해 보려고 한다.

각각의 평행한 붉은 광선 1,2,3이들어온다고 생각하자. 이 빛은 볼록렌즈를 만나면 각각 굴절된다. 만약 렌즈가 완전한 구의 모습을 하고 있다면 1,2,3에 들어온 평행광선의 빛은 한 곳에서 만나야 하지만, 실제 렌즈들은 한 촛점을 갖고 있지 못하다. 각 파장에 따라서 굴절율이 다르므로 빨간색보다 녹색의 촛점거리가 짧아지게 된다. 따라서 1번의 붉은 광선은 다 부근에서, 녹색광선은 나 부근에서 촛점이 맺힌다. 2번에 들어온 붉은 광선은 렌즈에 의해 분리되어 나에서 붉은색 촛점이 맞춰지고, 가 부근에서 녹색의 촛점에 맞춰지게 된다. 3번 붉은 광선도 마친가지의 현상이 나타나게 된다.

가 지점에서 태양을 보면 어떻게 보일까? 가 지점은 전체적으로 봤을 때 렌즈의 중심에 가깝기 때문에 빛의 산란/굴절이 거의 안 일어나므로 많은 빛이 그대로 도달하게 된다. 따라서 맨 꼭대기에 보여야 하는 녹색은 주변의 밝은 빛에 의해서 보이지 않게 된다. 그리고 붉은 태양만 보이게 된다.

나 지점에서 보이는 것은 2번의 빨간색과 1번의 녹색이 보일 것이다. 따라서 이 부분에서 보이는 것은 보통의 빨간색 태양과 3번 위치에서 오는 높은 부분의 녹색일 것이다.  아마도 수평선에 걸린 태양의 모습처럼 보일 것이다.

다 지점에서 보이는 것은 사실상 붉은색이 거의 도달할 수 없으므로 태양의 모습은 거의 보이지 않고, 녹색 부분만 잔뜩 보일 것이다. 하지만 이 지점에서의 태양의 모습은 지구에서는 관찰할 수가 없다. 저 모습이 보일 시간이 되면 태양이 이미 지평선/수평선 아래로 움직였을 것이기 때문이다.

이처럼 태양이 질 때 녹색의 꼬리를 남기는 것은 대기가 갖고 있는 색수차에 그 원인이 존재한다.

ps.
이러한 녹색의 꼬리를 각 지역에 따라서 다르게 부른다. green flash나 노루꼬리로 부르는 것은 이 현상에 대한 수많은 이름중 일예일 뿐이다.
재미있는 것은 노루꼬리가 알려진 것이 매우 오래전이라는 것이다. 정확히는 모르겠지만, 망원경이 발명되기 이전부터 알려진 것으로 보인다. 위의 글에서 망원경으로 당겨서 봐야만 알 수 있다고 이야기했었는데, 고대인들의 경우에는 노루꼬리를 맨눈으로도 봐왔던 것이 틀림없어 보인다.

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