무리 (물리학)
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1. 개요
무리는 대기 중의 얼음 결정에 의해 빛이 굴절되거나 반사되어 나타나는 대기 광학 현상이다. 고대부터 관찰되었으며, 동아시아에서는 징조로 여겨지기도 했다. 무리는 얼음 결정의 형태와 빛의 굴절 각도에 따라 다양한 종류로 나타나며, 22° 햇무리(내무리)와 46° 햇무리(외무리)가 대표적이다. 이 외에도 빛기둥, 환일, 보틀링거 고리 등 다양한 형태가 존재하며, 인공적으로 재현하는 실험도 이루어진다.
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| 무리 (물리학) | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 광학 현상 |
| 관련 현상 | 햇무리 달무리 채운광 무지개 쌍무지개 해무리 무리 여명 박명 광환 태양 기둥 달 기둥 브로켄의 요괴 |
| 설명 | |
| 원인 | 대기 중의 얼음 결정 (햇무리, 달무리) 물방울 (무리) |
| 크기 | 전형적으로 |
2. 역사
햇무리에 대한 기록은 고대부터 여러 문화권에서 발견된다. 코르니시 방언으로 해나 달 주위의 고리는 '콕스 아이'(cock's eye)라고 불리며 악천후의 징조로 여겨졌다. 이 용어는 브르타뉴어 단어 'kog-heol'(kog-heol|해 닭br)과 관련이 있다.[5] 네팔에서는 해 주변의 고리를 '인다라사바'(Indrasabha)라고 부르며, 이는 번개, 천둥, 비의 힌두교 신 인드라 신의 회의 법정이라는 의미를 내포한다.[6]
2. 1. 동아시아
중국에서는 오래전부터 흰 무지개가 해를 관통하는 현상인 백홍관일(白虹貫日)을 병란(兵亂)의 징조로 여겼다. 백홍은 창과 방패를, 해는 천자를 나타낸다고 한다. 사마천의 『사기』에는 "백홍이 해를 관통했다. 태자가 두려워했다"라는 구절이 있으며, 연의 태자 단의 신하 형가가 진 시황제 암살을 꾀했을 때 흰 무지개가 해를 관통했다는 고사가 있다. 이 외에도 혜성(요성)의 비래, 태양이 두 개 나타나는 현상 등도 병란이나 대란의 조짐이라고 하는데, 두 개의 태양은 환일을 의미하며, 이와 동시에 관측되는 경우가 많은 환일환이 여기서 말하는 백홍이 아니냐는 설도 있다.[2] 태평양 전쟁 이전의 오사카 아사히 신문이 보도 기사에 "백홍이 해를 관통했다"라는 문구를 게재했기 때문에 당국으로부터 탄압을 받았다는 백홍 사건도 있었다.[2]일광 할로는 색깔과 형태에 따라 다양한 징조를 나타냈다. 송나라 시대의 역사서에는 다음과 같이 기록되어 있다.
- 반쪽의 고리는 행운을 의미한다. 노란색 고리는 행운을 의미한다. 검은색 고리는 재앙을 의미한다. 녹색 고리는 병사와 귀중한 곡물을 의미한다. 붉은색 고리는 메뚜기를 의미한다.
- 세 겹의 고리는 군대의 발흥을 의미한다. 네 겹의 고리는 대신의 반란을 의미한다. 다섯 겹의 고리는 군대와 기근을 의미한다. 여섯 겹의 고리는 전쟁과 추모를 의미한다. 일곱 겹의 고리는 세상의 멸망을 의미한다.
2. 2. 서양
고대 시대에 아리스토텔레스가 고리 및 채운을 언급했지만, 복잡한 현상에 대한 최초의 유럽 설명은 로마의 크리스토프 셰이너 , 요하네스 헤벨리우스의 단치히(1661년), 상트페테르부르크의 토비아스 로비츠의 기록이다.
대부분 스톡홀름의 가장 오래된 채색 묘사로 알려지고 인용되지만, ''Vädersoltavlan'' (스웨덴어; "태양개 그림", 문자 그대로 "날씨 태양 그림")은 한 쌍의 햇무리를 포함하여 알려진 가장 오래된 햇무리 현상 묘사 중 하나이기도 하다. 1535년 4월 20일 아침 두 시간 동안, 도시 상공에는 흰 원과 하늘을 가로지르는 호가 가득했고, 태양 주위에는 추가적인 태양(즉, 햇무리)이 나타났다.
3. 종류 및 원리
고리는 구름을 형성하는 빙정이 프리즘 역할을 하여 태양이나 달에서 오는 빛이 빙정을 통과할 때 굴절되면서 발생한다.
고리를 생기게 하는 구름은 대부분 대류권 상층에 발생하며 빙정으로 이루어진 권층운, 권적운, 권운이다. 고층운, 고적운, 난층운, 적란운, 층운 등은 빙정을 포함하고 있어도 적고, 빙립으로 성장하여 빛의 경로가 복잡해지기 때문에 고리가 보이지 않는다.
빙정의 각 면은 60도, 90도, 120도 중 하나의 각을 이루고 있으므로, 빙정은 꼭지각이 60도, 90도, 120도 중 하나의 프리즘 역할을 한다. 빛이 육각기둥 모양의 빙정의 한쪽 면에서 입사하여 옆면으로 나가려고 하는 경우, 빙정은 꼭지각 120도의 프리즘 역할을 하지만, 이때는 빛이 전반사되어 버리기 때문에 이 꼭지각에 해당하는 고리는 존재하지 않는다.
관측되는 고리는 대부분 내고리이며, 외고리가 관측되는 것은 상당히 드물다. 구름을 형성하는 빙정의 모양이 특수한 경우에는 이 외의 위치에 고리가 나타나기도 한다.
빙정의 굴절률은 빛의 파장에 따라 다르므로, 고리도 무지개처럼 색으로 나뉘어 보인다. 내고리와 외고리 모두 안쪽이 빨간색, 바깥쪽이 보라색을 띠지만, 실제로는 빙정의 방향이 무작위이므로 산란 등으로 분광된 색이 섞여 희미하게 보이는 경우가 많다.
"태양이나 달에 고리가 생기면 비가 온다"는 속담은 저기압의 온난 전선 전방에 고리를 발생시키는 권층운이나 권운 등이 존재하기 때문에 생겨났다.
이 외에도, 고리와 같은 대기 광학 현상이 다수 존재하지만, 타원이 아닌 완전한 원이 될 수 있으며, 또한 호가 아닌 원 전체가 보이는 것은 태양의 반대편에 생기는 광환을 제외하고 고리뿐이라는 설도 있다. 광환은 1년에 100일 가까이, 드물지만 전주 환일환도 볼 수 있다.
고리(할로)에는 반지름 22도(내고리), 반지름 46도(외고리) 외에, 반지름 9도, 18도, 20도, 23도, 24도, 35도 등의 고리도 확인되고 있다.
3. 1. 22° 햇무리 (내무리)
22° 고리는 가장 흔하게 관측되는 햇무리로, 태양이나 달 주위에 반지름 약 22°(팔을 뻗은 거리에서 손을 펼친 너비 정도)의 큰 고리 형태로 나타난다. 22° 무리를 유발하는 얼음 결정은 대기 중에 반무작위적으로 정렬되어 있으며, 이는 환일 및 광주와 같이 수평 방향으로 정렬되어 나타나는 다른 햇무리와는 대조적이다.[3] 22° 무리는 얼음 결정이 아닌 물방울에 의해 발생하는 코로나와 혼동해서는 안 되며, 코로나는 고리보다는 다색 원반 형태로 나타난다.
고리는 구름을 형성하는 빙정이 프리즘 역할을 하여 태양이나 달에서 오는 빛이 빙정을 통과할 때 굴절되면서 발생한다. 고리를 만드는 구름은 대부분 대류권 상층에 발생하며 빙정으로 이루어진 권층운, 권적운, 권운이다. 고층운, 고적운, 난층운, 적란운, 층운 등은 빙정을 포함하고 있어도 적고, 빙립으로 성장하여 빛의 경로가 복잡해지기 때문에 고리가 보이지 않는다.
권층운, 권적운, 권운을 형성하는 빙정은 대부분 육각기둥 모양이다. 빛이 육각기둥 모양의 빙정의 한쪽 면에서 입사하여 다른 면으로 나오는 경우, 이 두 면은 60°의 각을 이루고 있으므로 빙정은 꼭지각 60°의 프리즘 역할을 한다. 이때 빙정의 방향이 무작위로 되어 있으면, 굴절된 빛은 태양을 중심으로 반지름(시반경) 약 22°의 원으로 보인다. 이를 '''내고리''' 또는 '''22° 할로'''라고 한다.
빙정의 굴절률은 빛의 파장에 따라 다르므로, 무지개처럼 색으로 나뉘어 보인다. 내고리는 안쪽이 빨간색, 바깥쪽이 보라색을 띠지만, 실제로는 빙정의 방향이 무작위이므로 산란 등으로 분광된 색이 섞여 희미하게 보이는 경우가 많다.
"태양이나 달에 고리가 생기면 비가 온다"는 속담이 있는데, 이는 저기압의 온난 전선 전방에 고리를 발생시키는 권층운이나 권운 등이 존재하기 때문이다.
3. 2. 46° 햇무리 (외무리)
46° 햇무리(외무리)는 22° 햇무리보다 드물게 관측되며, 태양이나 달 주위에 반지름 약 46°의 고리 형태로 나타난다.[3] 이는 육각기둥 모양의 빙정에서 빛이 90° 각도로 굴절되어 발생하기 때문이다.[3] 빛이 육각기둥 모양의 빙정의 밑면에서 입사하여 옆면으로 나오거나, 옆면에서 입사하여 밑면으로 나오는 경우, 이 두 면은 90°의 각을 이루고 있어 빙정이 꼭지각 90°의 프리즘 역할을 한다. 이때 빙정의 방향이 무작위로 되어 있으면, 굴절된 빛은 태양을 중심으로 반지름 약 46°의 원으로 보이게 된다.[3]
3. 3. 기타 햇무리
9°, 18°, 20°, 23°, 24°, 35° 등 다양한 반지름의 햇무리가 존재하며, 이는 20면체 피라미드형 빙정에 의해 발생한다.[3] 빛의 정도가 옅은 것이 많지만, 그중에서도 반지름 9°의 것은 비교적 진하고 관측하기 쉽다. 하지만 반지름이 작을수록 태양광의 산란의 영향으로 주위가 밝아져 식별하기 어려워진다.[3]3. 4. 보틀링거 고리 (Bottlinger's ring)
'''보틀링거 고리'''는 무리의 일종으로, 원형이 아닌 타원형의 희귀한 형태를 띤다. 지름이 작아 태양의 눈부심 속에서 관찰하기 매우 어려우며, 종종 산 정상이나 비행기에서 관찰되는 희미한 하강일광 주변에서 발견될 가능성이 더 높다.[4] 보틀링거 고리는 아직 잘 알려져 있지 않다. 매우 평평한 피라미드형 얼음 결정이 대기 중에 수평으로 떠 있으면서, 특이하게 낮은 각도를 가진 면을 통해 빛이 굴절되면서 형성되는 것으로 추정된다. 이러한 조건은 매우 정확하고 물리적으로 까다롭기 때문에 보틀링거 고리가 매우 드물게 관찰되는 현상임을 설명해준다.[4]4. 인공 햇무리
햇무리는 여러 가지 방법으로 인공적으로 재현할 수 있다. 실험적 방법으로는 단결정을 적절한 축을 중심으로 회전시키거나, 화학적 접근 방식을 통해 발생시킬 수 있다. 더욱 간접적인 실험적 접근 방식은 유사한 굴절 기하학을 찾는 것이다.
4. 1. 컴퓨터 시뮬레이션
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 햇무리 현상을 재현할 수 있다.[7][8]4. 2. 실험적 방법
무리 현상은 자연 현상이지만, 여러 가지 방법으로 인공적으로 재현할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하거나,[7][8] 실험적 방법을 통해 가능하다. 실험의 경우 단결정을 회전시키거나 화학적 반응을 통해 무리를 생성할 수 있다.[9]
더욱 간접적인 실험적 접근 방식은 유사한 굴절 기하학을 찾는 것이다. 예를 들어, 환천정호, 환수평호, 패리호는 회전 대칭(즉, 비각주) 정적 물체를 통한 굴절에 의해 재현될 수 있다.[9] 특히 물컵을 이용한 간단한 실험으로 화려한 환천정호와 환수평호를 인공적으로 재현할 수 있다. 물이 채워진 원통형 컵을 통한 굴절은 육각 얼음 결정체를 통과하는 굴절과 거의 동일하여 생생한 색상의 환천정호와 환수평호를 만든다. 이 실험은 1920년부터 알려져 있었으며, 종종 무지개를 나타내는 것으로 오해되기도 한다.[10]
브루스터는 염 용액의 침전을 통해 결정들을 생성하여 인공 무리를 만드는 방법을 제시했으며, 1889년 A. 코르누(A. Cornu)가 이를 더 연구했다.[12] 염 용액에서 침전된 작은 결정들에 빛을 비추면 특정 결정 기하학과 방향에 따라 무리가 발생한다. 여러 레시피가 존재하며 계속 발견되고 있다.[13] 고리는 이러한 실험에서 흔히 나타나는 결과이며,[14] 패리 호 또한 이 방법으로 인공적으로 생성되었다.[15]
1847년 오귀스트 브라베는 정삼각형 유리 프리즘을 수직축을 중심으로 회전시키고 평행한 백색광을 비춰 인공적인 주광환과 여러 부속 주광을 생성했다.[17] A. 베게너는 육각형 회전 결정을 사용하여 인공 부주광을 생성했다.[18] 최근에는 상업적으로 사용 가능한 육각형 BK7 유리 결정을 사용하여 더 많은 부속 주광을 발견했다.[19][20] 이러한 실험들은 교육 목적으로 활용될 수 있다.[10][21] 다만, 유리 결정은 전반사 때문에 천정 주위 호나 수평 주위 호를 재현할 수 없다.
이탈리아 과학자 F. 벤투리는 뾰족한 물이 채워진 프리즘으로 천정 주위 호를 시연했지만,[22][23] 이는 나중에 브라베의 설명으로 대체되었다.[10]
인공 얼음 결정을 사용하면 유리 결정으로는 불가능한 천정 주위 호와 수평 주위 호를 생성할 수 있다.[24] 플루오린화나트륨(NaF)과 같은 결정도 얼음에 가까운 굴절률을 가져 과거에 사용되었다.[25]
탄젠트 호나 둘레 고리를 생성하려면 단일 기둥 육각형 결정을 두 축으로 회전시켜야 한다. 로비츠 호는 단일 판상 결정을 두 축으로 회전시켜 만들 수 있다. 이러한 회전은 엔지니어링된 후광 기계를 통해 수행할 수 있으며, 2003년에 최초의 기계가 제작되었다. 이러한 기계를 구형 투사 스크린과 함께 사용하면 복잡한 인공 후광을 왜곡 없이 투사할 수 있다.
원형 고리의 실험적 재현은 단일 결정을 사용하는 것이 가장 어렵지만, 화학적 방법은 가장 간단하고 일반적이다. 단일 결정을 사용하려면 결정의 가능한 모든 3차원 방향을 구현해야 하며, 이는 공압 장치나 아두이노 기반의 랜덤 워크 머신을 사용하여 달성할 수 있다.
5. 갤러리
6. 같이 보기
참조
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[2]
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[3]
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Nepal skies graced with extraordinary 'circular rainbow' halo around sun
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Spherical projection screen for artificial halos
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