대기광학
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1. 개요
대기광학은 대기 중의 빛의 상호 작용으로 발생하는 다양한 시각적 현상을 연구하는 학문 분야이다. 하늘과 구름의 색깔 변화, 굴절, 반사, 산란 현상, 그리고 글로리, 무지개, 햇무리, 틈새빛살 등과 같은 다양한 광학 현상들을 포함한다. 이러한 현상들은 대기 중의 입자, 온도, 빛의 파장 등 다양한 요인에 의해 발생하며, 굴절 현상, 반사 및 굴절 현상, 산란 현상, 기타 현상으로 분류할 수 있다.
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| 대기광학 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 대기의 광학적 특성 또는 대기 과정의 산물에 대한 연구 |
| 현상 | |
| 일반적인 현상 | 무지개 신루 후광 |
| 빛의 회절 | 채운 코로나 (광학 현상) 영광 (광학) 햇무리 달무리 |
| 빛의 굴절 | 지구 그림자 녹색광 신기루 노바야젬랴 효과 |
| 빛의 산란 | 대기광 자주색 그림자 황혼 해돋이 일몰 |
| 기타 | 빛기둥 번개 성광 태양섬광 쌍무지개 |
2. 역사
16세기에 기상 광학에 관한 책이 출판되었지만, 1950년경부터 이 주제에 관한 수많은 책들이 출판되었다.[6] 이 주제는 1954년 마르셀 미네르트의 저서인 『야외의 빛과 색』(The Nature of Light and Colour in the Open Air영어)이 널리 보급되면서 대중화되었다.[7][8]
하늘과 구름의 색은 대기 중에서 태양광이 어떻게 상호작용하는지에 따라 결정된다. 하늘이 파랗게 보이는 주된 이유는 공기 분자에 의한 빛의 레일리 산란 때문이며, 이는 파란색 빛을 다른 색 빛보다 더 강하게 산란시키기 때문이다.[11] 구름의 색깔은 구름을 구성하는 물방울이나 얼음 결정에 의한 빛의 반사, 산란, 흡수 정도에 따라 흰색에서 회색, 심지어 검은색까지 다양하게 나타난다.[18][19]
3. 하늘과 구름의 색
하늘은 일출이나 일몰 때 붉은색, 주황색, 분홍색, 노란색 등으로 물들기도 하며, 밤에는 검은색으로 보인다. 구름 역시 뇌우가 발생할 때 녹색이나 푸른 회색을 띠거나, 산불 연기나 대기 오염 물질의 영향으로 노란색으로 보이기도 한다.[21][22] 이러한 다양한 색 변화는 대기 중 빛의 산란, 흡수, 편광 현상 및 대기 상태와 밀접한 관련이 있다.
3. 1. 하늘의 색
하늘 빛의 색은 태양광이 공기 분자에 의해 레일리 산란되기 때문이며, 이 산란된 빛이 주로 파란색이기에 우리 눈에 파랗게 보인다. 맑은 날, 레일리 산란은 하늘에 푸른색 그라데이션을 만든다. 천정 부근 하늘이 가장 어둡고 지평선 근처 하늘이 가장 밝게 보인다. 천정 방향에서 오는 빛은 관측자까지 도달하는 대기층의 두께가 가장 얇으므로(지평선 방향 두께의 약 1/38) 산란될 확률이 낮다. 반면, 지평선 방향에서 오는 빛은 두꺼운 대기층을 통과해야 하므로 산란될 확률이 훨씬 높다.[11]
지평선 부근이 상대적으로 밝은 푸른색을 띠는 이유는, 먼 거리에서 산란된 파란색 빛이 관측자에게 도달하기 때문이다. 이는 먼 광원에서 오는 빛이 대기를 통과하며 파장이 짧은 파란색 빛이 먼저 산란되어 사라지고 붉은색 계열의 빛이 주로 남는 적색 편이 현상과 관련이 있다. 즉, 관측자에게 도달하는 빛 중에는 먼 곳에서 산란된 파란색 빛과 가까운 곳에서 산란된 다른 색 빛이 섞여 보이게 된다. 붉은색 빛도 산란되지만, 파란색 빛보다 산란되는 정도가 약하다. 따라서 관측자로부터 매우 먼 거리에서 산란된 빛은 여러 색의 빛이 합쳐져 흰색에 가깝게 보인다. 이 때문에 멀리 있는 구름이나 눈 덮인 산봉우리가 실제보다 약간 노란빛을 띠어 보일 수 있다.[12] 이러한 색 변화는 매우 맑은 날에는 잘 드러나지 않지만, 구름이 하늘을 덮어 산란된 햇빛의 푸른색을 가릴 때 더 뚜렷하게 관찰된다.
분자 크기 입자에 의한 레일리 산란은 빛이 진행하는 방향(전방)과 그 반대 방향(후방)으로 더 강하게 일어나며, 옆 방향(측면)으로는 비교적 약하게 일어난다.[13] 햇빛을 받는 개별 물방울은 무지개처럼 여러 색의 고리를 만들 수 있다. 하지만 구름처럼 물방울이 매우 많고 빽빽하게 모여 있으면, 여러 물방울에서 제각각 산란된 빛이 서로 뒤섞여 다채로운 색 고리는 사라지고 전체적으로 희미한 흰색으로 보이게 된다.[14] 사하라 사막에서 발생한 먼지가 아열대 고기압 가장자리를 따라 이동하여 여름철 미국 남동부 지역으로 유입되는 경우가 있다. 이 먼지 입자들은 하늘을 뿌옇게 만들어 파란색을 흰색에 가깝게 보이게 하고, 일몰이나 일출 시 붉은 노을을 더 강하게 만든다. 또한, 공기 중 미세먼지 농도를 높여 여름철 대기 질에 나쁜 영향을 미치기도 한다.[15]
하늘은 시간과 조건에 따라 다양하게 색이 변한다. 특히 일출이나 일몰 때는 붉은색, 주황색, 분홍색, 노란색 등 다채로운 색을 띠며, 밤에는 검은색으로 보인다. 빛의 산란은 하늘에서 오는 빛을 부분적으로 편광시키는 효과도 일으킨다. 이 편광 현상은 태양과 관측자를 잇는 선에 대해 90도 방향의 하늘에서 가장 강하게 나타난다.
하늘의 밝기 분포, 즉 휘도 분포를 예측하는 모델은 국제 조명 위원회(CIE)에서 자연광을 활용하는 주광 설계 등에 활용하도록 권장하고 있다. 최근에는 맑은 하늘뿐만 아니라 흐린 날까지 다양한 기상 조건에서 하늘 전체의 휘도를 예측할 수 있는 '전천(全天) 모델' 개발도 이루어지고 있다.[17]
3. 2. 구름의 색
지구에서 관찰되는 구름의 색깔은 구름 내부에서 일어나는 현상에 대한 많은 정보를 제공한다. 밀도가 높고 깊은 대류권 구름은 가시광선 전체에서 높은 반사율(70%~95%)을 보인다. 작은 물 입자들이 조밀하게 뭉쳐 있어 햇빛이 구름 속으로 깊이 침투하지 못하고 반사되어 구름은 특징적인 흰색을 띠게 되며, 특히 위에서 볼 때 더욱 그렇다.[18] 구름 방울은 빛을 효율적으로 산란시키는 경향이 있어 태양 복사의 강도는 구름 속으로 깊어질수록 감소한다. 그 결과, 구름의 밑면은 구름의 두께와 관찰자에게 반사되거나 전달되는 빛의 양에 따라 매우 밝은 회색에서 매우 어두운 회색까지 다양하게 나타날 수 있다. 얇은 구름은 흰색으로 보이거나 주변 자연 환경 또는 배경의 색상을 띠는 것처럼 보일 수 있다. 전적으로 얼음 결정 및/또는 과냉각된 물방울로 구성된 경우, 높은 고도의 대류권 및 비대류권 구름은 대부분 흰색으로 나타난다.
대류권 구름이 성숙해짐에 따라 밀집된 물방울이 결합하여 더 큰 물방울을 생성할 수 있으며, 이 물방울들이 모여 비로 내릴 만큼 충분히 커질 수 있다. 이러한 축적 과정을 통해 물방울 사이의 공간이 점점 더 넓어져 빛이 구름 속으로 더 깊이 침투할 수 있게 된다. 구름이 충분히 크고 내부에 있는 물방울 사이의 거리가 충분히 멀다면, 구름에 들어가는 빛의 일정 비율은 흡수되기 전에 반사되지 않을 수 있다. 짙은 안개 속보다 폭우 속에서 더 멀리 볼 수 있는 것이 이와 같은 원리이다. 이러한 반사/흡수 과정이 구름의 색깔이 흰색에서 검은색까지 다양하게 나타나는 이유이다.[19]
구름에는 다른 색상도 자연적으로 나타난다. 푸른 회색은 구름 내부에서 빛이 산란된 결과이다. 가시광선에서 파란색과 녹색은 빛의 가시 파장 중 짧은 쪽에 속하고, 빨간색과 노란색은 긴 쪽에 속한다.[20] 짧은 파장은 물방울에 의해 더 쉽게 산란되고 긴 파장은 흡수될 가능성이 더 높다. 푸른색은 이러한 산란이 구름 속의 비 크기 물방울에 의해 생성되고 있다는 증거이다. 녹색을 띠는 적란운은 심한 비, 우박, 강풍 및 가능한 토네이도를 동반하는 심각한 뇌우의 징후일 수 있다.[21] 녹색 뇌우의 정확한 원인은 아직 알려지지 않았지만, 매우 두꺼운 구름을 통과하는 붉어진 햇빛의 조합 때문일 수 있다. 노란색 구름은 산불이 잦은 늦봄부터 초가을 사이에 발생할 수 있다. 노란색은 연기 속 오염 물질 때문에 나타난다. 이산화 질소의 존재로 인해 발생하는 노란색 구름은 때때로 대기 오염 수준이 높은 도시 지역에서 볼 수 있다.[22]
빨간색, 주황색, 분홍색 구름은 거의 전적으로 일출과 일몰 시간에 발생하며, 이는 대기 중에서 햇빛이 산란된 결과이다. 태양과 지평선 사이의 각도가 10% 미만일 때, 즉 일출 직후나 일몰 직전에 햇빛은 굴절로 인해 붉은색을 띠게 되어 붉은 색조 외에는 다른 색상을 보기 어렵게 된다.[21] 구름 자체가 그 색깔을 띠는 것이 아니라, 해당 시간에 지배적인 길고 산란되지 않은 햇빛을 반사하는 것이다. 이는 마치 흰색 천에 빨간색 조명을 비추는 것과 유사하다. 크고 성숙한 적란운과 결합하면 피처럼 붉은 구름이 만들어질 수도 있다. 구름은 근적외선 영역에서는 어둡게 보이는데, 이는 물이 이러한 파장의 태양 복사를 흡수하기 때문이다.
4. 대기 광학 현상의 종류
대기 중에서 빛이 굴절, 반사, 산란, 회절 등 다양한 상호작용을 일으키면서 여러 가지 광학 현상이 나타난다. 주요 대기 광학 현상들은 다음과 같다.
- 노을
- 대기광
- 오로라
- 비너스의 띠
- 브로켄의 요괴
- 천정호
- 채운
- 틈새빛살 (Crepuscular rays) 및 반대 틈새빛살 (Anticrepuscular rays)
- 지진광
- 녹색 섬광 (Green flash)
- 무리 (Halo)
- 연무 (Haze)
- 빛기둥 (Light pillar)
- 번개
- 신기루 (Mirage), 파타 모르가나, 노바야 제믈랴 효과 포함
- 달무지개 (Moonbow)
- 무지개 (Rainbow)
- 환일 (Sun dog)
- 글로리 (Glory)
- 틴들 효과 (Tyndall effect)
- 상층대기 번개 (Upper-atmospheric lightning)
- 달 착시 (Moon illusion)
- 하늘의 색 변화 (레일리 산란, 미 산란)
- 구름의 색 변화
이러한 현상들은 발생하는 주된 원리에 따라 분류될 수 있으며, 때로는 여러 원리가 복합적으로 작용하기도 한다. 각 현상에 대한 자세한 설명은 이어지는 하위 섹션에서 다룬다.
4. 1. 굴절 현상
달 착시이븐 알하이삼은 그의 저서 《광학의 서》(1011–22 AD)에서 시각은 뇌에서 발생하며, 개인적인 경험이 사람들이 무엇을 보고 어떻게 보는지에 영향을 미치고, 시각과 지각은 주관적이라고 주장했다. 그는 수평선에 있는 태양과 달이 하늘 높이 있을 때보다 더 크게 보이는 이유에 대한 프톨레마이오스의 굴절 이론에 반박하며, 이 문제를 실제 확대가 아닌 지각된 확대의 관점에서 재정의했다. 그는 물체의 거리를 판단하려면 물체와 관찰자 사이에 끊임없는 일련의 개입 물체가 있어야 한다고 설명했다. 결정적으로, 이븐 알하이삼은 물체의 크기를 판단하는 것은 그 물체의 인식된 거리에 달려 있다고 보았다. 즉, 가까워 보이는 물체는 멀리 보이는 동일한 크기의 망막 상을 가진 물체보다 작게 보인다. 머리 위에 있는 달의 경우, 관찰자와 달 사이에 끊임없는 개입 물체가 없기 때문에 멀고 작게 느껴진다. 반면, 수평선에 있는 달의 경우, 관찰자와 수평선 사이에 땅 위의 모든 물체라는 끊임없는 개입 물체가 존재하므로 달이 더 멀리 있고 크게 보인다는 것이다. 로저 베이컨, 존 펙햄, 비텔로 등의 학자들은 이븐 알하이삼의 설명을 바탕으로 연구를 이어갔고, 달 착시는 점차 심리적 현상으로 받아들여지면서 프톨레마이오스의 이론은 17세기에 이르러 받아들여지지 않게 되었다.[9]
100년 이상 동안 달 착시에 대한 연구는 주로 인간 지각을 연구하는 심리학자인 시각 과학자들에 의해 이루어졌다. 2002년 저서 《달 착시의 미스터리》에서 여러 설명을 검토한 로스와 플러그는 "어떤 단일 이론도 결정적으로 우세하지 못했다"고 결론지었다.[10]
신기루와 녹색 섬광
신기루는 빛의 광선이 굴절되어 멀리 떨어진 물체나 하늘의 이미지가 변형되거나 다른 위치에 보이게 하는 자연 발생 광학 현상이다. 이 단어는 "보다, 경이롭게 여기다"라는 의미의 라틴어 'mirare'에서 유래한 프랑스어 'mirage'를 거쳐 영어로 들어왔다. 이는 "거울(mirror)"이나 "감탄하다(admire)"와 같은 어원을 공유한다.
환각과는 달리, 신기루는 실제로 빛의 광선이 관찰자의 위치까지 굴절되어 허상을 형성하기 때문에 카메라로도 촬영할 수 있는 실제 광학 현상이다. 그러나 그 이미지가 무엇을 나타내는지는 관찰자의 해석에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 땅 근처에서 보이는 하위 신기루는 작은 물웅덩이의 반사로 잘못 인식되기 쉽다.
신기루는 크게 "하위"(inferior) 신기루, "상위"(superior) 신기루, 그리고 상위 신기루의 한 종류로 매우 복잡하고 빠르게 변하는 파타 모르가나로 분류할 수 있다.
녹색 섬광과 녹색 광선은 일몰 직후나 일출 직전에 발생하는 광학 현상으로, 보통 태양 바로 위에서 1~2초 동안 녹색 점이 보이거나, 해가 지는 지점에서 녹색 광선이 위로 솟아오르는 형태로 나타난다. 녹색 섬광은 실제로는 여러 다른 원인에 의해 발생하는 현상들의 집합이며, 그중 일부는 다른 것들보다 더 흔하게 관찰된다.[36] 녹색 섬광은 어떤 고도에서든 관찰될 수 있으며 (비행기에서도 볼 수 있다), 일반적으로 바다처럼 시야가 트인 수평선에서 잘 보이지만, 구름 꼭대기나 산 정상에서도 나타날 수 있다.
수평선 근처의 달이나 금성, 목성과 같은 밝은 행성에서도 녹색 섬광이 관찰된 바 있다.[37][38]
파타 모르가나
파타 모르가나는 온도 역전이 강하게 일어나는 특정 조건에서 발생하는 매우 복잡하고 특이한 형태의 상위 신기루이다. 이 현상은 빛의 광선이 서로 다른 온도를 가진 공기층들을 통과하면서 강하게 굴절될 때 발생하며, 이때 일종의 대기 도관이 형성된다.[41] 온도 역전이란, 따뜻한 공기가 그보다 훨씬 차가운 공기층 위에 명확하게 구분되어 놓이는 대기 상태를 말한다. 이는 일반적으로 지표면 근처 공기가 더 따뜻하고 위로 갈수록 차가워지는 현상과는 정반대이다. 날씨가 잔잔할 때, 매우 따뜻한 공기층이 차갑고 밀도가 높은 공기 위에 자리 잡으면, 이 경계면이 굴절 렌즈처럼 작용하는 대기 도관을 만들어, 여러 개의 거꾸로 된 이미지와 똑바로 선 이미지가 겹쳐 보이게 한다.
파타 모르가나라는 이름은 아서왕 전설에 등장하는 마법사 모르간 르 페이[39]에서 유래했다. 이탈리아어로 '파타(fata)'는 요정을 의미하며, 이는 종종 메시나 해협에서 관찰되는 이 신기루가 모르간 르 페이가 만든 공중의 요정 성[40]이거나, 뱃사람들을 유인하기 위한 환영이라는 믿음에서 비롯되었다. 파타 모르가나라는 용어는 때때로 다른 종류의 신기루에 잘못 사용되기도 하지만, 진정한 파타 모르가나는 일반적인 상위 신기루나 하위 신기루와는 구별되는 독특한 현상이다.
파타 모르가나 신기루는 대상 물체를 극도로 왜곡시켜 매우 이상하게 보이게 하며, 때로는 원래 형태를 전혀 알아볼 수 없을 정도로 변형시키기도 한다. 이 현상은 육지나 바다, 극지방이나 사막 등 다양한 환경에서 관찰될 수 있으며, 배, 섬, 해안선 등 거의 모든 종류의 멀리 있는 물체가 대상이 될 수 있다.
파타 모르가나는 복잡할 뿐만 아니라 매우 빠르게 변화하는 특징을 가진다. 신기루는 여러 개의 거꾸로 된(뒤집힌) 이미지와 똑바로 선(정립된) 이미지가 수직으로 쌓여 나타나며, 이미지의 일부는 압축되고 다른 일부는 늘어나는 현상이 번갈아 나타나기도 한다.[41]
노바야 제믈랴 효과노바야 제믈랴 효과는 극지 기후에서 관찰되는 특수한 신기루 현상으로, 대기 중 온도 역전층 사이에서 햇빛이 매우 강하게 굴절되어 발생한다. 이 효과 때문에 실제 천문학적인 시간보다 해가 더 일찍 뜨거나 더 늦게 지는 것처럼 보인다.[42] 기상 조건에 따라, 노바야 제믈랴 효과는 태양을 선이나 사각형 모양(때로는 "직사각형 태양"이라고 불림), 혹은 평평한 모래시계 모양으로 보이게 만들 수 있다. 이 신기루가 나타나려면 햇빛이 수백 킬로미터에 걸쳐 형성된 기온 역전 층을 통과해야 하며, 그 모습은 역전층의 온도 구배에 따라 달라진다. 햇빛은 지구의 곡률을 따라 최소 400km 이상 이동하며 5도 이상 굴절되어야 관찰자에게 도달할 수 있다.
이 현상을 처음으로 기록한 사람은 빌렘 바렌츠의 세 번째 북극 탐험대의 일원이었던 게리트 데 베어이다. 그가 이 현상을 처음 관찰했던 러시아의 군도 노바야 제믈랴의 이름을 따서 이 효과의 명칭이 정해졌다.[42]
대기 굴절
대기 굴절은 지구 대기를 통과하는 빛이 굴절되는 현상으로, 천체나 지상의 물체가 실제 위치보다 약간 더 높은 곳에 있는 것처럼 보이게 만든다. 이러한 이유로 항해사, 천문학자, 측량 기사 등 정밀한 위치 측정이 필요한 분야에서는 대기 굴절의 영향을 최소화할 수 있는 조건에서 관측을 수행하려고 노력한다. 예를 들어, 항해사는 별의 고도가 20° 이상일 때 주로 관측하고, 천문학자는 천체가 하늘에서 가장 높은 지점(자오선 통과 시)에 있을 때 관측을 계획하며, 측량 기사는 일반적으로 대기 굴절이 가장 적은 오후 시간에 측량 작업을 진행한다.
4. 2. 반사 및 굴절 현상
광륜(ἅλως; 후광, 얼음 무지개 또는 글로리올이라고도 함)은 대기 중의 얼음 결정과 태양 또는 달의 빛이 상호 작용하여 하늘에 나타나는 유색 또는 흰색의 광학 현상이다.[31] 많은 광륜은 태양이나 달 근처에 위치하지만, 다른 광륜은 다른 곳, 심지어 하늘의 반대편에서도 나타난다. 또한 매우 추운 날씨에 다이아몬드 먼지라고 불리는 얼음 결정이 주변 공중에 떠다닐 때 인공 조명 주변에도 형성될 수 있다.[23]
얼음 광륜에는 여러 종류가 있다. 이는 5km에서 10km의 고도에 있는 상부 대류권의 권운 또는 권층운 구름 속의 얼음 결정에 의해 생성되거나, 매우 추운 날씨 동안에는 낮은 고도의 공기 중에 떠다니는 다이아몬드 먼지라고 불리는 얼음 결정에 의해 생성된다.[24][25][26] 관찰되는 광륜의 유형은 결정의 특정 모양과 방향에 의해 결정된다. 빛은 얼음 결정에 의해 반사 및 굴절되며, 분산 때문에 색상으로 나뉠 수 있다. 결정은 프리즘과 거울처럼 작용하여 면 사이에서 햇빛을 굴절시키고 반사하여 특정 방향으로 빛의 줄기를 보낸다.[31] 원형 광륜의 경우, 선호되는 각도 거리는 얼음 결정으로부터 22도와 46도이다.[27] 광륜과 같은 대기 현상은 온난 전선과 관련 강우의 접근을 나타내는 경험적 일기 예보 수단으로 날씨 속담의 일부로 사용되어 왔다.[28]
햇무리는 일반적인 형태의 대기광학 현상으로, 태양의 좌우 약 22° 거리에서 수평선과 같은 고도에 미묘하게 색깔이 있는 두 개의 밝은 점으로 나타난다. 햇무리는 일반적으로 판 모양의 육각형 얼음 결정에 의해 발생한다.[24][25] 이러한 결정들은 공기 중으로 가라앉으면서 수평으로 정렬되는 경향이 있으며, 이로 인해 햇빛이 좌우로 굴절되어 두 개의 햇무리가 나타난다.[25][24]
태양이 더 높이 떠오르면서, 결정을 통과하는 광선은 수평면에서 점점 더 벗어나게 된다. 편향 각도가 증가하고 햇무리는 태양에서 더 멀어진다.[29] 그러나 햇무리는 항상 태양과 같은 고도에 유지된다. 햇무리는 태양에 가장 가까운 쪽에 붉은색을 띤다. 바깥쪽으로 갈수록 색깔은 파란색 또는 보라색으로 변한다.[24] 그러나 색상은 상당히 겹쳐서 탁해지며, 드물게 순수하거나 포화된 색을 띤다. 햇무리 색상은 결국 수평호의 흰색과 합쳐진다(후자가 보이는 경우).
다른 행성과 위성에서 볼 수 있는 햇무리의 형태를 이론적으로 예측하는 것이 가능하다. 화성은 물 얼음과 CO2 얼음 모두에 의해 형성된 햇무리를 가질 수 있다. 거대한 가스 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에서는 다른 결정들이 암모니아, 메탄 및 다른 물질의 구름을 형성하여 4개 이상의 햇무리를 가진 후광을 생성할 수 있다.[30]
물방울과 관련된 일반적인 광학 현상으로는 글로리가 있다.[31] 글로리는 관찰자의 머리 주변에 상징적인 성인의 후광처럼 나타나는 광학 현상으로, 균일한 크기의 물방울 구름에 의해 빛이 광원 쪽으로 후방 산란되어 생성된다(회절, 반사, 굴절의 조합). 글로리는 여러 개의 색깔 고리를 가지며, 가장 바깥쪽 고리에는 빨간색, 가장 안쪽 고리에는 파란색/보라색이 나타난다.[32]
각도 거리는 무지개보다 훨씬 작으며, 물방울 크기에 따라 5°에서 20° 사이이다. 글로리는 관찰자가 태양과 굴절하는 물방울 구름 사이에 직접 위치할 때만 볼 수 있다. 따라서, 항공기에서 흔히 관찰되며, 구름 위에 비행기 그림자를 둘러싸는 글로리가 나타난다(이는 종종 '조종사의 글로리'라고 불린다). 글로리는 또한 산과 높은 건물에서도 볼 수 있다,[33] 관찰자 아래에 구름이나 안개가 있거나 지상 안개가 있는 날에도 관찰된다. 글로리는 광학 현상 반대일과 관련이 있다.
무지개는 햇빛에 의해 비춰질 때, 일반적으로 비의 형태로, 다수의 물방울에 의해 백색광이 분산되어 생기는 좁고 다색의 반원형 아치이다. 따라서 조건이 맞으면 무지개는 항상 태양의 정반대 방향 하늘에서 나타난다. 지상 관찰자의 경우, 보이는 아치의 양은 지평선 위 태양의 높이에 따라 달라진다. 태양이 지평선에 있을 때 42°의 각도 반지름을 가진 완전한 반원이다. 그러나 태양이 하늘로 떠오르면서 아치는 작아지고 태양이 지평선 위로 42° 이상 올라가면 보이지 않게 된다. 반원형 무지개보다 더 많이 보려면 관찰자는 비행기나 산꼭대기에서처럼 물방울을 내려다볼 수 있어야 한다. 무지개는 여름 오후의 소나기 동안 가장 흔하게 나타난다.[34]
일련의 빗방울 뒷면에서 단일 반사가 발생하면 40°에서 42° 사이의 각도를 가진 무지개가 생성되며, 바깥쪽은 빨간색, 안쪽은 파란색/보라색을 띤다. 이것을 주 아치라고 한다. 주 아치 바깥쪽 약 10°에서 더 희미한 이차 아치가 종종 보인다. 이것은 물방울 내에서 두 번의 내부 반사에 의해 발생한다. 결과적인 이차 아치는 약 3° 너비이며 색상이 반전되어 바깥쪽에 파란색/보라색이 있다. 두 번의 내부 반사는 바깥쪽에 파란색/보라색이 있는 50.5°에서 54°의 각도 크기를 가진 무지개를 생성한다.[34] 이중 무지개 사이의 영역은 종종 주 아치 내부와 이차 아치 너머의 하늘보다 눈에 띄게 어둡다. 이것을 알렉산더의 어두운 띠라고 한다. 이 하늘 밝기 감소의 이유는 주 아치 내에 갇힌 하늘에서 오는 빛은 물방울 반사에서 오고, 이차 아치 너머의 빛 또한 물방울 반사에서 오지만, 아치 ''사이''의 영역이 관찰자 방향으로 빛을 반사하는 메커니즘이 없기 때문이다. 일반적으로 말하면, 물방울이 클수록 무지개가 더 밝아진다.
무지개는 연속적인 색상 스펙트럼을 포함한다. 뚜렷한 띠(띠의 수 포함)는 인간의 색각의 인공물이고, 무지개의 흑백 사진에서는 어떤 종류의 띠도 보이지 않는다(아크의 다른 쪽에서 최대값까지의 부드러운 강도 변화와 최소값으로의 퇴색만 있다). 정상적인 인간의 눈으로 보이는 색상의 경우, 영어에서 가장 일반적으로 인용되고 기억되는 순서는 아이작 뉴턴의 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색의 일곱 가지 색상이다(일반적으로 로이 지. 비브와 같은 연상기억법으로 암기된다).[35]
4. 3. 산란 현상
대기 산란은 햇빛이 공기 중에 떠 있는 입자들에 의해 굴절될 때 발생하는 시각적 효과이다. 하늘에서 오는 빛의 색깔은 주로 태양광의 레일리 산란 때문에 나타나며, 우리 눈에는 파란색으로 인식된다. 레일리 산란은 공기 분자와 같이 빛의 파장보다 매우 작은 입자에 의해 빛이 산란되는 현상이다. 파장이 짧은 파란색 빛이 파장이 긴 붉은색 빛보다 더 강하게 산란되기 때문에 맑은 날 하늘은 파랗게 보인다.
맑은 날 하늘은 천정(머리 꼭대기 방향) 근처에서 가장 어둡고 지평선 근처에서 가장 밝은 푸른색 그라데이션을 보인다. 천정에서 오는 빛은 가장 짧은 경로(대략 지평선에서 오는 빛의 38분의 1)의 공기층만 통과하므로 산란이 적게 일어나 더 짙은 파란색을 띤다. 반면, 지평선 부근에서 오는 빛은 더 두꺼운 공기층을 통과하면서 더 많이 산란되어 색이 옅어진다.[11]
또한, 먼 거리에서 오는 파란색 빛도 우선적으로 산란되어 지평선 부근에 푸른빛이 나타난다. 이는 멀리 있는 광원에서 오는 빛이 우리 눈에 도달하기 전에 파란색 빛이 많이 산란되어 사라지고 붉은빛이 상대적으로 많이 남는 적색 편이 현상을 상쇄하는 효과를 낸다. 즉, 붉은색 빛도 산란되지만, 관찰자로부터 먼 곳에서 산란될 경우 파란색 빛보다 관찰자에게 도달할 확률이 더 높다. 아주 먼 거리에서 산란된 빛은 여러 색의 빛이 합쳐져 흰색에 가깝게 보인다. 이러한 이유로 멀리 있는 구름이나 눈 덮인 산봉우리가 노랗게 보일 수 있다.[12] 이 효과는 맑은 날에는 뚜렷하지 않지만, 구름이 시야를 가려 하늘 전체의 푸른빛을 줄일 때 더 두드러진다.
공기 중의 분자 크기 입자에 의한 산란은 옆 방향보다는 앞뒤 방향으로 더 강하게 일어난다.[13] 물방울 하나하나는 흰색 빛을 받으면 여러 색깔의 고리 모양을 만들 수 있지만, 구름처럼 물방울이 매우 많고 빽빽하게 모여 있으면 여러 물방울에 의한 복합적인 산란으로 인해 색깔 있는 고리는 사라지고 전체적으로 희미한 흰색으로 보이게 된다.[14]
때로는 사하라 사막에서 발생한 먼지가 아열대 고기압의 남쪽 가장자리를 따라 이동하여 여름철 미국 남동부 지역까지 영향을 미치기도 한다. 이 먼지는 하늘을 파란색에서 흰색으로 보이게 하고, 노을을 더욱 붉게 만든다. 이러한 먼지의 유입은 공기 중 입자 농도를 높여 여름철 대기 질에 부정적인 영향을 미친다.[15]
하늘은 시간과 조건에 따라 빨간색, 주황색, 분홍색, 노란색 등 다양한 색으로 변할 수 있으며(특히 일출이나 일몰 시), 밤에는 검은색으로 보인다. 산란 효과는 하늘에서 오는 빛을 부분적으로 편광시키기도 하는데, 태양 방향과 90도 각도를 이루는 하늘에서 가장 뚜렷하게 나타난다.
하늘 휘도(밝기) 분포 모델은 국제 조명 위원회(CIE)에서 주광 설계를 위해 권장하고 있다. 최근에는 맑은 하늘부터 흐린 하늘까지 다양한 기상 조건에서 하늘 밝기를 모델링하는 "전천(全天) 모델" 개발이 이루어지고 있다.[17]
구름의 색깔은 구름 내부에서 일어나는 물리적 과정에 대한 정보를 담고 있다. 밀도가 높고 두꺼운 대류권 구름은 가시광선 영역에서 70%~95%에 달하는 높은 반사율을 보인다. 구름을 이루는 작은 물방울들이 빽빽하게 모여 있어 햇빛이 구름 속 깊이 침투하지 못하고 대부분 반사되기 때문에, 특히 위에서 볼 때 구름은 특징적인 흰색을 띤다.[18] 구름 속 물방울들은 빛을 효과적으로 산란시키므로, 태양 복사의 강도는 구름 속으로 깊이 들어갈수록 감소한다. 따라서 구름의 두께와 관찰자에게 반사되거나 투과되는 빛의 양에 따라 구름의 밑면은 매우 밝은 회색부터 매우 어두운 회색까지 다양하게 보일 수 있다. 얇은 구름은 흰색으로 보이거나 주변 환경의 색을 반영하는 것처럼 보일 수 있다. 높은 고도에 형성되는 권운형 구름이나 비대류권 구름은 주로 얼음 결정이나 과냉각 물방울로 이루어져 있어 대부분 흰색으로 보인다.
구름이 발달하면서 내부의 작은 물방울들이 합쳐져 더 큰 물방울을 형성하고, 이들이 충분히 커지면 비로 내리게 된다. 이 과정에서 물방울 사이의 간격이 넓어지면 빛이 구름 속으로 더 깊이 침투할 수 있게 된다. 구름이 충분히 두껍고 내부 물방울 간의 거리가 멀면, 구름에 들어온 빛 중 일부는 반사되지 못하고 흡수될 수 있다. 이는 짙은 안개 속보다 폭우 속에서 더 멀리 볼 수 있는 것과 같은 원리이다. 이러한 빛의 반사와 흡수 과정의 차이가 구름의 색깔이 흰색부터 검은색까지 다양하게 나타나는 이유이다.[19]
구름은 다른 색깔을 띠기도 한다. 푸른 회색은 구름 내부에서 빛이 산란되면서 나타나는 색이다. 가시광선 스펙트럼에서 파란색과 녹색은 파장이 짧고, 빨간색과 노란색은 파장이 길다.[20] 짧은 파장의 빛(파란색, 녹색)은 물방울에 의해 더 쉽게 산란되고, 긴 파장의 빛(빨간색, 노란색)은 흡수될 가능성이 더 높다. 따라서 구름이 푸른빛을 띤다는 것은 구름 내부에 비를 형성할 만큼 큰 물방울들이 존재하며 빛을 산란시키고 있다는 증거이다. 녹색을 띠는 적란운은 강한 비, 우박, 돌풍, 심하면 토네이도까지 동반할 수 있는 심각한 뇌우의 징조로 여겨진다.[21] 녹색 뇌우의 정확한 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 매우 두꺼운 구름을 통과하며 붉어진 햇빛과 구름 자체의 푸른빛이 혼합되어 나타나는 현상으로 추정된다. 노란색 구름은 산불이 잦은 늦봄부터 초가을 사이에 관찰될 수 있는데, 이는 연기 속에 포함된 오염 물질 때문이다. 이산화질소와 같은 대기 오염 물질 농도가 높은 도시 지역에서도 노란색 구름이 나타나기도 한다.[22]
빨간색, 주황색, 분홍색 구름은 거의 대부분 일출과 일몰 시간에 나타나며, 이는 대기 중 햇빛의 산란 때문이다. 태양의 고도가 낮아지면(지평선과의 각도가 10도 미만), 햇빛이 통과해야 하는 대기층이 길어지면서 파장이 짧은 파란색 빛은 대부분 산란되어 사라지고 파장이 긴 붉은 계열의 빛만 남게 된다.[21] 이때 구름은 자체적으로 붉은색을 띠는 것이 아니라, 붉게 물든 햇빛을 반사하여 붉게 보이는 것이다. 이는 마치 흰색 스크린에 붉은색 조명을 비추는 것과 같다. 크고 두껍게 발달한 적란운과 결합하면 매우 강렬한 핏빛 구름이 만들어지기도 한다. 한편, 구름은 근적외선 영역에서는 어둡게 보이는데, 이는 물이 이 파장대의 태양 복사를 잘 흡수하기 때문이다.
틈새빛살(Crepuscular rays)은 거의 평행하게 진행하는 햇빛이 지구 대기를 통과하면서 선 원근법에 의해 마치 한 점에서 퍼져나가는 것처럼 보이는 현상이다.[43] 주로 산봉우리나 구름 같은 장애물이 햇빛의 일부를 가릴 때 발생한다. 공기 중의 다양한 입자들(에어로졸, 먼지 등)이 회절, 반사, 산란을 일으켜 빛줄기를 우리 눈에 보이게 만든다.
틈새빛살은 때때로 물속에서도 관찰될 수 있으며, 특히 북극 지역에서는 빙붕이나 얼음 사이의 틈으로 빛이 들어올 때 나타난다. 또한 태양이 특정 각도로 구름을 비추어 해당 지역만 밝힐 때도 볼 수 있다.
틈새빛살은 주로 세 가지 형태로 나타난다:
- 낮은 구름의 틈 사이로 새어 나오는 빛줄기 (때때로 "야곱의 사다리"라고도 불림).
- 구름 뒤에서부터 퍼져 나오는 것처럼 보이는 빛줄기.
- 지평선 아래에서부터 방사되는 옅은 분홍색 또는 붉은색 빛줄기. 이는 종종 광주와 혼동되기도 한다.
이 현상은 주로 일출과 일몰 무렵에 잘 관찰되며, 이때 적란운과 같이 높고 두꺼운 구름이나 산이 빛줄기를 만드는 데 효과적인 역할을 한다.
산란 현상과 관련된 다른 대기광학 현상으로는 노을, 대기광, 비너스의 띠, 브로켄의 요괴, 천정호, 채운, 틈새빛살, 녹색 광선, 무리, 연무, 빛기둥, 신기루, 달무지개, 무지개, 환일, 틴들 효과 등이 있다. 오로라, 지진광, 번개, 상층대기 번개 등은 다른 물리적 과정이 주된 원인이지만, 대기 중 입자와의 상호작용이 관측에 영향을 줄 수 있다.
4. 4. 기타 현상
'''광륜'''
광륜(ἅλωςgrc; 후광, 얼음 무지개 또는 글로리올이라고도 함)은 대기 중의 얼음 결정과 태양 또는 달의 빛이 상호 작용하여 하늘에 나타나는 유색 또는 흰색의 광학 현상이다.[31] 많은 광륜은 태양이나 달 근처에 위치하지만, 다른 광륜은 다른 곳, 심지어 하늘의 반대편에서도 나타난다. 또한 매우 추운 날씨에 다이아몬드 먼지라고 불리는 얼음 결정이 주변 공중에 떠다닐 때 인공 조명 주변에도 형성될 수 있다.[23]
얼음 광륜에는 여러 종류가 있다. 이것들은 5km에서 10km의 고도에 있는 상부 대류권의 권운 또는 권층운 구름 속의 얼음 결정에 의해 생성되거나, 매우 추운 날씨 동안에는 낮은 고도의 공기 중에 떠다니는 다이아몬드 먼지라고 불리는 얼음 결정에 의해 생성된다.[24][25][26] 관찰되는 광륜의 유형은 결정의 특정 모양과 방향에 의해 결정된다. 빛은 얼음 결정에 의해 반사 및 굴절되며, 분산 때문에 색상으로 나뉠 수 있다. 결정은 프리즘과 거울처럼 작용하여 면 사이에서 햇빛을 굴절시키고 반사하여 특정 방향으로 빛의 줄기를 보낸다.[31] 원형 광륜의 경우, 선호되는 각도 거리는 얼음 결정으로부터 22도와 46도이다.[27] 광륜과 같은 대기 현상은 온난 전선과 관련 강우의 접근을 나타내는 경험적 일기 예보 수단으로 날씨 속담의 일부로 사용되어 왔다.[28]
'''햇무리'''
햇무리(환일)는 일반적인 형태의 대기광학 현상으로, 태양의 좌우 약 22° 거리에서 수평선과 같은 고도에 미묘하게 색깔이 있는 두 개의 밝은 점으로 나타난다. 햇무리는 일반적으로 판 모양의 육각형 얼음 결정에 의해 발생한다.[24][25] 이러한 결정들은 공기 중으로 가라앉으면서 수평으로 정렬되는 경향이 있으며, 이로 인해 햇빛이 좌우로 굴절되어 두 개의 햇무리가 나타난다.[25][24]
태양이 더 높이 떠오르면서, 결정을 통과하는 광선은 수평면에서 점점 더 벗어나게 된다. 편향 각도가 증가하고 햇무리는 태양에서 더 멀어진다.[29] 그러나 햇무리는 항상 태양과 같은 고도에 유지된다. 햇무리는 태양에 가장 가까운 쪽에 붉은색을 띤다. 바깥쪽으로 갈수록 색깔은 파란색 또는 보라색으로 변한다.[24] 그러나 색상은 상당히 겹쳐서 탁해지며, 드물게 순수하거나 포화된 색을 띤다. 햇무리 색상은 결국 수평호의 흰색과 합쳐진다(후자가 보이는 경우).
다른 행성과 위성에서 볼 수 있는 햇무리의 형태를 이론적으로 예측하는 것이 가능하다. 화성은 물 얼음과 CO2 얼음 모두에 의해 형성된 햇무리를 가질 수 있다. 거대한 가스 행성인 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에서는 다른 결정들이 암모니아, 메탄 및 다른 물질의 구름을 형성하여 4개 이상의 햇무리를 가진 후광을 생성할 수 있다.[30]
'''글로리'''
물방울과 관련된 일반적인 광학 현상으로는 글로리가 있다.[31] 글로리는 관찰자의 머리 주변에 상징적인 성인의 후광처럼 나타나는 광학 현상으로, 균일한 크기의 물방울 구름에 의해 빛이 광원 쪽으로 후방 산란되어 생성된다(회절, 반사, 굴절의 조합). 글로리는 여러 개의 색깔 고리를 가지며, 가장 바깥쪽 고리에는 빨간색, 가장 안쪽 고리에는 파란색/보라색이 나타난다.[32]
각도 거리는 무지개보다 훨씬 작으며, 물방울 크기에 따라 5°에서 20° 사이이다. 글로리는 관찰자가 태양과 굴절하는 물방울 구름 사이에 직접 위치할 때만 볼 수 있다. 따라서, 항공기에서 흔히 관찰되며, 구름 위에 비행기 그림자를 둘러싸는 글로리가 나타난다(이는 종종 '조종사의 글로리'라고 불린다). 글로리는 또한 산과 높은 건물에서도 볼 수 있다,[33] 관찰자 아래에 구름이나 안개가 있거나 지상 안개가 있는 날에도 관찰된다. 글로리는 광학 현상 반대일과 관련이 있다.
'''무지개'''
무지개는 햇빛에 의해 비춰질 때, 일반적으로 비의 형태로, 다수의 물방울에 의해 백색광이 분산되어 생기는 좁고 다색의 반원형 아치이다. 따라서 조건이 맞으면 무지개는 항상 태양의 정반대 방향 하늘에서 나타난다. 지상 관찰자의 경우, 보이는 아치의 양은 지평선 위 태양의 높이에 따라 달라진다. 태양이 지평선에 있을 때 42°의 각도 반지름을 가진 완전한 반원이다. 그러나 태양이 하늘로 떠오르면서 아치는 작아지고 태양이 지평선 위로 42° 이상 올라가면 보이지 않게 된다. 반원형 무지개보다 더 많이 보려면 관찰자는 비행기나 산꼭대기에서처럼 물방울을 내려다볼 수 있어야 한다. 무지개는 여름 오후의 소나기 동안 가장 흔하게 나타난다.[34]
일련의 빗방울 뒷면에서 단일 반사가 발생하면 40°에서 42° 사이의 각도를 가진 무지개가 생성되며, 바깥쪽은 빨간색, 안쪽은 파란색/보라색을 띤다. 이것을 주 아치라고 한다. 주 아치 바깥쪽 약 10°에서 더 희미한 이차 아치가 종종 보인다. 이것은 물방울 내에서 두 번의 내부 반사에 의해 발생한다. 결과적인 이차 아치는 약 3° 너비이며 색상이 반전되어 바깥쪽에 파란색/보라색이 있다. 두 번의 내부 반사는 바깥쪽에 파란색/보라색이 있는 50.5°에서 54°의 각도 크기를 가진 무지개를 생성한다.[34] 이중 무지개 사이의 영역은 종종 주 아치 내부와 이차 아치 너머의 하늘보다 눈에 띄게 어둡다. 이것을 알렉산더의 어두운 띠라고 한다. 이 하늘 밝기 감소의 이유는 주 아치 내에 갇힌 하늘에서 오는 빛은 물방울 반사에서 오고, 이차 아치 너머의 빛 또한 물방울 반사에서 오지만, 아치 ''사이''의 영역이 관찰자 방향으로 빛을 반사하는 메커니즘이 없기 때문이다. 일반적으로 말하면, 물방울이 클수록 무지개가 더 밝아진다.
무지개는 연속적인 색상 스펙트럼을 포함한다. 뚜렷한 띠(띠의 수 포함)는 인간의 색각의 인공물이며, 무지개의 흑백 사진에서는 어떤 종류의 띠도 보이지 않는다(아크의 다른 쪽에서 최대값까지의 부드러운 강도 변화와 최소값으로의 퇴색만 있다). 정상적인 인간의 눈으로 보이는 색상의 경우, 영어에서 가장 일반적으로 인용되고 기억되는 순서는 아이작 뉴턴의 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색의 일곱 가지 색상이다(일반적으로 로이 지. 비브와 같은 연상기억법으로 암기된다).[35]
'''신기루와 녹색 섬광'''
신기루는 빛의 광선이 굴절되어 멀리 떨어진 물체나 하늘의 변위된 이미지를 생성하는 자연 발생 광학 현상이다. 이 단어는 miragefra를 거쳐 영어로 들어왔으며, 이는 "보다, 경이롭게 여기다"라는 의미의 mirarelat에서 유래했다. 이는 "거울"과 "감탄하다"와 같은 어원이다. 또한, 아랍어 ''mirage''에서도 그 기원을 찾을 수 있다.
환각과 달리 신기루는 관찰자의 위치에서 빛의 광선이 실제로 굴절되어 허상 이미지를 형성하기 때문에 카메라로 촬영할 수 있는 실제 광학 현상이다. 그러나 이미지가 무엇을 나타내는지는 인간의 해석 능력에 의해 결정된다. 예를 들어, 육지에서 보이는 하위 이미지는 작은 물체의 반사로 오인되기 쉽다.
신기루는 "하위"(낮은) 신기루, "상위"(높은) 신기루, 그리고 일련의 특이하게 정교하고 수직으로 쌓인 이미지로 구성되어 빠르게 변화하는 하나의 신기루를 형성하는 상위 신기루의 일종인 파타 모르가나로 분류할 수 있다.
녹색 섬광과 녹색 광선은 일몰 직후 또는 일출 전에 발생하는 광학 현상으로, 보통 태양 위에서 1~2초 이상 녹색 점이 보이거나 일몰 지점에서 녹색 광선이 솟아오른다. 녹색 섬광은 실제로 여러 원인에서 비롯된 현상의 집합이며, 어떤 현상은 다른 현상보다 더 흔하다.[36] 녹색 섬광은 모든 고도에서 관찰할 수 있다(심지어 항공기에서도). 일반적으로 바다와 같이 탁 트인 수평선에서 보이지만, 구름 꼭대기나 산 꼭대기에서도 가능하다.
금성과 목성을 포함하여 수평선에서 달과 밝은 행성에서 녹색 섬광도 관찰할 수 있다.[37][38]
'''파타 모르가나'''
이 광학 현상은 온도 역전이 심한 곳에서 서로 다른 온도의 공기층을 빛의 광선이 통과할 때 빛이 강하게 굴절되기 때문에 발생하며, 이때 대기 도관이 형성된다.[41] 온도 역전은 따뜻한 공기가 훨씬 더 차가운 공기층 위에 명확하게 정의된 층을 이루는 대기 상태를 말한다. 이러한 온도 역전은 일반적으로 발생하는 현상과 정반대이다. 즉, 공기는 일반적으로 지표면 가까이에서 더 따뜻하고, 더 높이 올라갈수록 더 차갑다. 날씨가 잔잔할 때, 현저하게 더 따뜻한 공기층이 더 차갑고 밀도가 높은 공기 위에 놓여 굴절 렌즈 역할을 하는 대기 도관을 형성하여 일련의 거꾸로 된 이미지와 똑바로 된 이미지를 생성한다.
파타 모르가나는 특이하고 매우 복잡한 형태의 신기루, 즉 상위 신기루의 한 형태이며, 다른 많은 종류의 상위 신기루와 마찬가지로 지평선 바로 위에 좁은 띠로 보인다. 이탈리아어로 "요정"을 의미하는 속어 라틴어에서 유래된 구절이며, 모르간 르 페이라는 아서왕 전설의 마법사[39]에서 유래되었는데, 이는 종종 메시나 해협에서 보이는 신기루가 공중에 있는 요정의 성[40]이거나 그녀의 마법으로 만들어진 뱃사람들을 죽음으로 유인하기 위해 설계된 가짜 땅이라는 믿음에서 비롯되었다. 파타 모르가나라는 용어는 때때로 다른, 더 흔한 종류의 신기루에 잘못 적용되기도 하지만, 진정한 파타 모르가나는 일반적인 상위 신기루와 같지 않으며, 하위 신기루와도 확실히 다르다.
파타 모르가나 신기루는 이를 기반으로 하는 물체를 엄청나게 왜곡시켜 물체가 매우 특이하게 보이게 하고, 심지어 완전히 알아볼 수 없도록 변형될 수도 있다. 파타 모르가나는 육지나 바다, 극지방이나 사막에서 볼 수 있다. 이러한 종류의 신기루는 배, 섬, 해안선 등 거의 모든 종류의 먼 물체를 포함할 수 있다.
파타 모르가나는 복잡할 뿐만 아니라 빠르게 변화하기도 한다. 이 신기루는 서로 위에 쌓여 있는 여러 개의 거꾸로 된(뒤집힌) 이미지와 똑바로 된(똑바른) 이미지로 구성된다. 파타 모르가나 신기루는 또한 압축된 영역과 늘어난 영역이 번갈아 나타난다.[41]
'''노바야 제믈랴 효과'''
노바야 제믈랴 효과는 대기 중 온도 역전층 사이에서 햇빛이 심하게 굴절되어 나타나는 극지 기후의 신기루 현상이다. 노바야 제믈랴 효과는 실제 (천문학적으로) 해야 할 때보다 해가 더 일찍 뜨거나 더 늦게 지는 것처럼 보이게 한다.[42] 기상학적 상황에 따라 이 효과는 태양을 평평한 모래시계 모양으로 이루어진 선이나 사각형(때로는 "직사각형 태양"이라고 함)으로 나타나게 한다. 이 신기루는 햇빛이 수백 킬로미터에 걸쳐 기온 역전 층을 통과해야 하며, 역전층의 온도 구배에 따라 달라진다. 햇빛은 태양 디스크를 보기 위해 최소 400km에서 지구의 곡률을 따라 5도 이상 굽어져야 한다.
이 현상을 처음 기록한 사람은 빌렘 바렌츠의 불운한 세 번째 극지 탐험대의 일원이었던 게리트 데 베어였다. 데 베어가 처음 이 현상을 관찰한 군도인 노바야 제믈랴는 이 효과에 이름을 빌려주었다.[42]
'''얇은 구름 사이로 비치는 햇살'''
얇은 구름 사이로 비치는 햇살(틈새빛살)은 지구 대기를 통과하는 거의 평행한 햇살이지만, 선 원근법으로 인해 퍼져 보이는 현상이다.[43] 이는 종종 산봉우리나 구름과 같은 물체가 마치 구름 덮개처럼 태양 광선을 부분적으로 가릴 때 발생한다. 다양한 공기 중 화합물이 회절, 반사 및 산란으로 인해 햇빛을 산란시켜 이러한 광선을 볼 수 있게 한다.
얇은 구름 사이로 비치는 햇살은 때때로 수중에서도 관찰될 수 있는데, 특히 북극 지역에서 얼음 선반이나 얼음 틈새에서 나타난다. 또한 태양이 구름에 완벽한 각도로 비춰 해당 지역을 밝힐 때도 볼 수 있다.
얇은 구름 사이로 비치는 햇살은 세 가지 주요 형태로 나타난다:
- 낮은 구름의 구멍을 통과하는 빛줄기 (일명 "야곱의 사다리").
- 구름 뒤에서 발산되는 빛줄기.
- 지평선 아래에서 방사되는 옅은 분홍색 또는 붉은색 광선. 이는 종종 광주로 오인된다.
이 현상은 주로 일출과 일몰 무렵에 관찰되며, 이때 적란운과 같은 높은 구름과 산이 이러한 광선을 만드는 데 가장 효과적일 수 있다.
'''반대 해질녘 광선'''
반대 해질녘 광선은 실제로는 평행하지만, 때로는 태양 반대 방향의 하늘에서 관찰될 수 있다. 이들은 먼 지평선에서 다시 수렴하는 것처럼 보인다.
5. 한국에서의 대기 광학 현상
한국에서도 다양한 대기 광학 현상을 관찰할 수 있다. 대표적인 예는 다음과 같다.
참조
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웹사이트
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Why is the sky bluer on top than at the horizon
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Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems
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