태양은 보기보다 늦게뜨고 일찍 진다

 

 

 

아래 글은 (펌!) 글 입니다

 

 

 

우리는 항상 대기를 통해 태양을 봅니다. 대기를 안 통하고 태양과 별들을 보기 위해서는 우주로 나가서 보는 수밖에 없습니다. 그래서 과학자들은 별과 태양을 보기 위해서 우주로 각종 망원경을 쏘아올리고 있습니다. 왜냐하면 대기는 우리가 보는 태양과 별의 이미지를 방해하고, 왜곡시키고 차단하기 때문입니다. 그리고 막대한 경비가 필요한만큼 좋은 결과를 얻고 있습니다.

이 글에서는 대기가 우리의 시각을 어떻게 왜곡시키는지를 잠시 살펴볼까 합니다.

1. 태양은 보기보다 늦게 뜨고 일찍 진다.

"지구를 돌고 있는 태양"이라고 하면 많은 사람들에게 지금이 중세시대냐고 지탄을 받을까요? 하지만 엄연히 지구 주위를 태양은 하루에 한 바퀴씩 돌고 있습니다. 상당히 일정한 주기를 유지하면서 지구가 자전을 하기 때문이지요. 하지만 그와는 다르게 달이 지구를 도는 속도는 일정하지 않습니다. 고대 그리스의 철학자들은 때로는 달이 하늘위를 전혀 움직이지 않을 때도 있고, 평소보다 훨씬 빠르게 움직일 때도 있다는 것을 알고 있었다고 합니다. 이는 달이 자체적으로 복잡한 세동운동을 하고 있으며, 지구와 태양의 영향도 강하게 받기 때문입니다. 요즘에는 물리적인 분석이 거의 끝난 상태여서 컴퓨터로 태양, 달, 지구의 운동을 시뮬레이션 하면 수천 년간의 달의 운동을 거의 정확히 예측할 수 있습니다.

태양의 운동은 매일 거의 균일하게 유지되고 있지만 겉보기운동은 항상 균일하지는 않습니다. 대기의 영향 때문입니다.

[그림1] 일몰시 태양의 이동경로

위의 그림을 잠깐 보시죠.
지구가 자전하여 태양이 지평선에 다가감에 따라서 우리가 보는 햇볕이 대기권을 통과하는 거리는 점차로 멀어집니다. 이때문에 노을이 생긴다 그런데 지구의 대기라는 것은 지표에 가까이 다가감에따라서 밀도가 높아지므로 굴절율이 더 높습니다. 공기의 (지표에서의) 굴절율이 겨우 1.0005 정도밖에되지 않아서 일반적인 경우에는 거의 영향을 받지 않습니다만 일출시와 일몰시처럼 대기에 비스듬하게 들어올 경우에는 작은 밀도차이에의해 발생하는 굴절율의 차이로 인해서도 빛의 굴절이 생깁니다. 이와 같은 우리 일상생활 속에서의 광학현상은 여러분들도익히 아실겁니다.

[그림2] 공기의 불균일한 온도에 의해 생기는 광학현상

윗 그림 설명

① 지표 가까이에 따뜻한 공기층이 형성되면서 빛을 반사하여 물이 고인 것처럼 보인다.
② 공기중에 일부의 온도가 불균일하면 그 곳을 지나는 빛이 굴절이 일어나서 아지랭이가 생긴다.
   (실제로 수소, 헬륨, 메탄같은 공기와 밀도가 다른 가스가 노출되는 경우에도 같은 현상을 보인다.)
③ 대류권의 최상층에 따뜻한 공기층이 형성되면서 빛이 하늘에서 반사되어 신기루가 생긴다.

그런데 [그림1]에서 보시듯이 실제 태양 A'에서 출발한 빛에 의해서 사람은 A에 위치한듯한 태양을 볼 수 있고, B'에 태양이있을 때는 B에 태양이 있는 것처럼 볼 수 있습니다. 그런데 A'와 B' 사이의 위치의 이동과 A와 B의 위치의 이동량을비교했을 때 실제 이동한 양이 겉보기에 태양이 이동한 양보다 더 크다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 태양이 지표면으로 내려가는 동안에 태양은 점차 내려가는 속도가 느려지는 것처럼 보일 것입니다.
태양이 지평선 혹은 수평선에 닿았을 때부터 완전히 들어갈 때까지의 시간(다시 말해서 지구가 0.5 ˚를 자전하는데 필요한시간)은 약 4 분인데, 대기의 굴절에 의해 지연된 시간은 약 2 분 정도라고 합니다. 다시 말해서 태양이 지평선에 절반 정도걸려있을 때 실제 태양은 이미 지평선 밑으로 내려갔다는 것이지요.

[그림3] 일몰시 태양의 운동경로

일몰시 태양의 운동경로는 위 그림과 같습니다. 원래는 파란색과 같이 직선으로 운동을 해야 정상이지만, 우리가 보는 일몰시의 태양의 운동경로는 윗쪽으로 약간 들린 것처럼 곡선을 따라서 운동경로를 갖습니다.

[사진1] 태양의 고도가 낮아질수록 태양이 움직이는 방향이 꺾인다. (출처)

2. 태양을 마중나오는 또 다른 태양

망원렌즈로 찍은 태양이 지는 낙조 사진을 가만히 살펴보면 좀 이상한 것이 있지 않던가요?
이상하게 태양이 지평선에 닿지도 않았는데도 불구하고 지평선에는 붉은 무엇인가가 먼저 보이는 것이지요. 전체적인 모양이 그리스문자 오메가(Ω)와 비슷하다고 하여 '오메가 현상'이라고 부릅니다.
이 현상이 왜 발생하는지 이해가 잘 안 되서 과학을 좋아하는 조카한테 물어봤더니 조카는 단순하게 "온도차이 때문이 아니겠어요?"라는 답변을 내놓고는 관심을 끝내는 것 아니겠습니까? 그래서 저 혼자서 그 이유를 곰곰히 생각해 봤습니다.

우선 일몰의 사진을 가만히 살펴보면 지평선에서 나타나는 붉은 것의 정체 역시 태양과 비슷한 크기의 붉은 원이라는 것을 알 수 있었습니다. 태양과 비슷한 크기와 모양의 붉은 것이 역시 태양이라는 것은 잠시 후에 어렵지 않게 알 수가 있었습니다. 문제는 무엇이 태양을 하나 더 보이게 하느냐는 것이었죠.

[그림4] 일몰시 대류권에 의한 빛의 굴절로 인한 겉보기의 모습

이 그림은 간략하게 그린 것입니다.실제 하나하나의 태양의 모습은 직접 바다에서 낙조를 구경하셨던 분들은 보셨었던 것이리라 생각합니다. 마지막 노루꼬리의 경우에는 (당연히) 못 보셨겠지만요. (^^ 이 녀석들은 망원경으로밖에 보이지 않습니다.)
이렇게 보이는 것은 무엇엔가에 의해서 빛이 반사되고 있기 때문입니다. 도대체 무엇이????

이 문제는 상당히 어려워서 여러 가지 가능성을 검토해 봐야 했습니다. 그리고 결론이 내려졌습니다.

우선 이 현상은 .......
일출이나 월출, 월몰에도 그대로 관찰됩니다. 따라서 하루중의 대기의 온도 변화 등으로는 설명할 수가 없습니다. 또한 계절적인변화가 있어도 항상 관측되므로 1년중의 대기의 온도 변화로도 설명할 수가 없습니다. 일반적인 수평선, 지평선 뿐 아니라 사막의지평선에서도 나타나는 현상인 것을 생각한다면 습도의 차이에서 발생하는 것도 아닙니다. 그렇다면 1년 365일 항상 같은 물리적인특성이 유지되어야만 이 현상을 설명할 수 있을 것입니다.

[그림5] 일몰시 대류권에 의한 빛의 굴절

지구의 대류권은 상층으로 올라갈수록 온도가 낮아집니다. 1번 꼭지에서 대기권은 지표로 내려올수록 밀도가 높아져서 굴절율이 증가한다고했었는데, 지표에서 약 10 km 부근의 대류권에서는 지표로 내려올수록 온도가 올라가서 굴절율이 작아지는 부분이 생기지요.
빛은 일반적으로 굴절율이 큰 곳으로 진행경로가 꺾어집니다. 따라서 대류권으로 들어온 햇볕은 윗쪽으로 걲어지게 됩니다. 물론 햇빛이꺾이는 양은 매우 적어서 크게 영향력을 주지는 않습니다만 태양이 지표면과 가까워지면 대류권을 지나는경로도 길어지므로 그 영향이 커져서 관찰이 잘 되도록 만듭니다.

대기권으로 들어온 빛중에 지표에 더 가까이 입사한 빛이 더 먼저 꺾이게 됩니다. 지표에 더 가까이 입사한 빛이 더 빨리 높은온도의 부분과 만나기 때문이죠. 따라서 먼저 꺾인 부분의 빛이 우리가 볼때는 윗쪽으로 보이게 됩니다. 더 윗쪽으로 입사한 빛은너 늦게 꺾임으로서 우리가 볼때는 더 밑쪽에서 보입니다. 그래서 전체적으로 반사된 빛으로 보이는 태양은 거꾸로 보이게 됩니다.

태양이 지표에 가까워옴에 따라서 반사된 태양은 원래의 태양과 가까워져 옵니다. 그 이전에는 땅에 가려져서 보이지 않죠. 그래서어떤 특정한 높이에 태양이 다다르면 태양과 반사된 태양은 서로 합쳐집니다. 합쳐진 태양은 결국 평범하게 지표면 밑으로 숨어버리죠.

극지방에서는 대류권의 두께가 많이 얇습니다.
열대지방에서는 대류권이 약 10~15 km나 되는 것에 비해서 우리나라는 대략 10 km정도, 극지방에서는 5~7 km 정도밖에 되질 않습니다. 극지방에서는 이러한 이유로 반사된 태양은 거의 볼 수 없습니다.

Canon EOS 5D | 400mm

[사진2] 태양과 반사된 태양이 만나는 순간의 오메가 현상 (사진 출처)

3. 태양과 하늘이 뚜렷이 구분되지는 않는다.

[사진2]에서 태양과 반사된 태양이 서로 합쳐진다고 할 때 이상하다는 생각을 하지 않으셨는지요?

원래 두 개의 원이 합쳐지면 원과 원이 만나 8자를 써 놓은 것처럼 보여야 하는데, 실제로는 8자처럼 생긴 것이 아니라 눈사람을 만들 때 머리가 떨어지지 말라고 눈으로 몸통과 머리 사이를 붙여놓은 것처럼 생겼습니다.

이는 왜 그런 것일까요?

간단한 실험을 해봅시다.
준비물은 똑같은 크기의 동전 두 개면 됩니다. 백열전구나 가로등불 밑에 가서 동전 두 개를 들고 그림자를 잘 관찰하면서 서서히가까이 붙여봅니다. 어떻게 보입니까? 태양의 일출 혹은 일몰과 같아보이지 않습니까? 두 개의 동전 그림자가 서로 확 끌어당기는것처럼 보일 것입니다. 왜 그런 것일까요?

이를 설명하려면 본그림자(본영)과 반그림자를 설명해야 합니다. 본그림자는 불빛으로부터 전혀 아무런 빛도 도달하지 않는 그림자를말하고, 우리 눈에 매우 잘 보입니다. 반면 반그림자는 불빛의 빛중 일부는 도달하고, 일부는 도달하지 못하는 그림자입니다.당연히 반그림자 부분은 주변보다는 어둡지만 본그림자처럼 눈에 잘 띄는 것은 아닙니다. 특히 사람의 눈은 착시효과까지 있어서본그림자 주변의 반그림자는 더 밝게 보이게 되죠.

[그림6] 오메가현상

그런데 본그림자 두 개가 점차 가까워지면 본그림자 사이의 부분그림자가 점점 짙어집니다. 양쪽에서 생기는 반그림자 두 개가합해져서 어두워지는 와중에 눈의 착시까지 발생합니다. 그래서 두 본 그림자들이 서로 이끌려 확 결합하는것처럼 보입니다.

태양의 결합이 눈사람처럼 보이게 결합하는 것도 이와 똑같습니다. 태양 주변은 태양보다는 어둡지만 다른 하늘보다는 밝습니다. 하지만 평소에는 밝은 태양에 (착시현상으로) 가려서 보이지 않다가 실제 태양과 반사된 태양이 가까워짐에 따라서 주변의 약간 밝은 부분이 중복되어 태양만큼 밝게 보이는 것이지요. 다시 말해서 태양이 우리 눈에 주변 하늘과명확히 구분되지만, 실제로는 명확히 구분되지 않습니다. [사진2]를 참조하세요.)

4. 일몰시의 태양은 완전히 동그랗지 않았다.
다음 그림들을 살펴볼까요? 그리고 가장 자연스러워 보이는 태양의 모습을 찾아주시기 바랍니다

(1/3)  

가장 자연스럽게 보이는 태양은? (1)

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위의 3개의 태양 그림이 있습니다. 그 중에서 가장 자연스럽게 보이는 태양은 어떤 것이던가요?
3개의 태양 중에 완전히 동그랗게 그려진 태양은 어떤 것일까요? 우선 밑의 글을 보기 전에 각자 골라보세요.

그림을 다 보셨다면 펼쳐보세요.

(1)번은 완전한 원형의 태양을 그린 것입니다.

(2)번은 (1)번을 103%로 가로로 늘려 그린 것이구요....

(3)번은 (1)번을 106%로 가로로 늘려 그린 것입니다.

여러분들은 어떤 것을 선택하셨나요?
만약 그림들과 다르게 세로로 늘려서 그렸다면 여러분들은 어떻게 바라보셨을까요?

태양이 지평선에 가까워져 갈때 .....

[그림1]에서 위아래의 운동 속도의 겉보기 차이 때문에 위아래의 길이가 약간 짧아져 보입니다. 그런데 가로로는 전혀 짧아져 보이지 않습니다. 당연하겠지요. 더군다나 태양은 적도쪽이 살짝 부풀어 있습니다. 태양이 자전하면서 나타나는 원심력 때문입니다. 그래서 위아래로 약간 눌려보이는 것이 우리가 일반적으로 보는 태양입니다. 물론 눈에 확 띄게 보이지는 않겠지만요. ^^
지역과 계절과 날짜에 따라서 그 결과는 약간 다를 것입니다. 대부분은 (3)번처럼 보일테고, 간혹 (2)번처럼 보이는 곳도 있을 것입니다.
[사진2]를 참조하세요. 대기의 상태에 따라서 조금씩 달라지기는 하지만 위아래로 눌려 보이는 것은 명백합니다.

어떤가요? 여러분들이 실제 보이는 것과 같은 태양을 고르셨나요?

5. 태양의 녹색의 노루꼬리를 남기면서 사라진다.

태양의 모습에서 노루꼬리를 설명해놨습니다.
이 세상의 어떤 렌즈라도 빛을 굴절시킬 때는 굴절율에 의존하게 됩니다. 굴절율은 빛의 파장(에너지, 진동수)과 어느정도 영향력이있는데, 빛의 파장이 짧을수록(에너지가 클수록, 진동수가 높을수록) 굴절율이 커지는 현상이 있습니다. 이는 대기도마찬가지입니다.
햇볕은 여러 가지 빛의 복합체이므로 그 안의 빛의 색에 따라서 대기가 갖는 굴절율은 달라집니다. 당연히 보라색이나 자주색에 가까운빛일수록 더 굴절율이 크게 작용할테고, 따라서 굴절이 크게 됩니다. 그래서 저녁노을 속의 해를 보면 붉은색이 조금 더 밑으로,보라색이 조금 더 위로 치우치게 됩니다. 굴절이 크게 된다는 것은 더 높은 궤도의 빛의 진행경로를 갖게 된다는 것이고, 우리눈에는 더 윗쪽으로 보인다는 것을 뜻하기 때문입니다.

햇볕은 석양 속에 있다고 하더라도 매우 강한 빛이므로 주변의 사물들이 우리에게는 잘 보이지 않습니다. 햇볕 중에서 가장 강한 빛은노란색에 가까운 주황색이고, 저녁노을 때문에 짧은 파장 쪽의 빛은 많이 약해져 있기 때문에 붉은색 쪽의 빛이 가장 강해져 보이게됩니다. 따라서 아주 붉은 색이나 노란색, 녹색, 보라색 등의 빛은 우리 눈에 보이지 않게 됩니다. 그것이 우리 눈에 보이는석양의 태양이지요. 그런데 노란색~붉은색으로 보이는 태양이 막 지평선(수평선) 넘어로 내려가 우리 눈에 보이지 않게 됐을 때 몇초동안은 우리가 전혀 예상하지 못했던 태양을 구경할 수 있습니다. 바로 초록색 태양입니다. 가장 밝은 빛의 태양에 가려서 보통은볼 수 없었던 그 태양이 녹색의 태양이지요.

왜인지는 몰라도 각 지역마다 부르는 이름이 다릅니다. 노루꼬리라고 부르는 곳도 있고, green flash라고 부르는 곳도있고, 하여튼 각양각색으로 부릅니다. 2 번 꼭지에서 노루꼬리는 망원경으로밖에 보이지 않는다고 했는데, 옛날 사람들이 지역에 따라서이름을 붙여놓은것을 보면 먼 과거에도 이를 관찰했었나봅니다. 정말 신기합니다. ^^
옛날 사람들은 맨눈으로도 이것을 관찰했던 것일까요?

6. 달도 태양과 똑같이 보인다.

달의 월출, 월몰도 태양의 일출, 일몰과 똑같은 현상을 일으킬 수 있습니다. 달이 훨씬 어둡기 때문에 관찰하기는 힘들지만 좋은 관측장비를 갖추면 태양에서와 똑같이 모든 것을 관측할 수 있습니다.

 

7. 글을 마치면서

이 글을 읽으면서 많은 분들이 '각 행성마다 대기구조가 다르므로 노을지는 모습도 각각 다 다를 것이다.'라고 생각하셨을 것으로 생각합니다. 또 그 말씀이 맞을 것 같습니다. 각종 반사된 태양과 굴절된 태양과 수차에 의해 분리된 태양이 어울어져서 지구에서보다 훨씬 복잡한 일출/일몰이 일어날 수도 있겠다고 생각합니다. 특히 금성의 대기가 맑아진다면 일출/일몰은 장관을 이룰 것이 틀림없습니다.

 

출처:5월의작은선인장