항공기상 3주차 수업에서 레일리(Rayleigh) 산란과 미(Mie) 산란을 배웠는데 원리가 잘 이해되지 않아서 좀 더 찾아봤다.
Blue Sky and Rayleigh Scattering (gsu.edu)
Blue Sky and Rayleigh Scattering
Sky Saturation and Brightness As a qualitative examination of sky brightness and the saturation of the blue sky color, measurements of the color of the sky photograph were made from a computer monitor using Adobe Illustrator's color tools. None of the data
hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
아래는 위에 링크한 페이지를 DeepL로 번역한 것이다.
하늘이 푸른 색을 띠는 것은 햇빛이 대기 분자에 의해 산란되기 때문입니다. 라일리 산란이라고 하는 이 산란은 단파장(가시광선 스펙트럼의 파란색 끝)에서 더 효과적입니다. 따라서 태양 빛의 방향에 대해 큰 각도로 지구로 산란되는 빛은 주로 스펙트럼의 파란색 끝에 있습니다.
태양에서 멀리 떨어져서 보면 하늘의 파란색이 더 채도가 높다는 점에 유의하세요. 태양 근처에서 거의 흰색에 가까운 산란은 파장에 크게 의존하지 않는 미에 산란에 기인할 수 있습니다.
푸른 하늘과 대조되는 구름은 흰색에서 무채색의 회색으로 나타납니다.
구름을 구성하는 물방울은 공기 분자보다 훨씬 크기 때문에 가시광선 범위에서 물방울의 산란은 파장과 거의 무관합니다.
라일리 산란은 빛이 공기 분자로부터 산란되는 것을 말하며, 빛 파장의 약 10분의 1까지 입자에서 산란되는 것으로 확장할 수 있습니다. 공기 분자가 산란하는 라일리 산란은 우리에게 푸른 하늘을 선사합니다.
산란된 광자의 광자 에너지는 변하지 않기 때문에 라일리 산란은 탄성 산란으로 간주할 수 있습니다. 산란된 광자의 광자 에너지가 더 높거나 낮은 산란을 라만 산란이라고 합니다. 일반적으로 이러한 종류의 산란은 분자의 일부 진동 모드를 여기시켜 산란된 광자 에너지를 낮추거나 분자의 여기된 진동 상태에서 산란되어 입사 광자에 진동 에너지를 더하는 것을 포함합니다.
분자와 매우 작은 입자(파장 1/10 미만)로부터의 산란은 주로 라일리 산란이 주를 이룹니다. 입자 크기가 파장보다 큰 경우 미에 산란이 우세합니다. 이 산란은 안테나 로브와 같은 패턴을 생성하며, 입자가 클수록 더 선명하고 강렬한 전방 로브가 나타납니다.
미에 산란은 파장에 크게 의존하지 않으며 공기 중에 입자상 물질이 많을 때 태양 주위에 거의 흰색에 가까운 눈부심을 일으킵니다. 또한 안개와 안개에서 나오는 백색광을 만들어내기도 합니다.
그린러는 "무지개, 후광, 영광"에서 미에 산란과 극지방의 입자가 없는 공기에서 미에 산란이 극적으로 나타나지 않는 것을 보여주는 훌륭한 컬러 플레이트를 선보였습니다.
그래도 이해되지 않아서 동영상을 찾아보니 좀 더 깊이 들어가면서도 쉽게 설명한 것이 있다.
https://www.youtube.com/watch?v=4HBuHX4-VU8
그래도 확실히 이해한 것 같지 않아서 ChatGPT(GPT-4)에게도 물어봤다.
레일리 산란과 미 산란을 설명해줘
레일리 산란(Rayleigh scattering)과 미 산란(Mie scattering)은 모두 빛이 입자와 상호작용하여 산란되는 과정입니다. 이 두 산란 현상은 물리적 원리와 적용되는 조건에서 차이가 있습니다.
레일리 산란 (Rayleigh scattering): 레일리 산란은 입자의 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작은 경우에 발생합니다. 대기 중의 분자와 작은 입자들 때문에 주로 발생하며, 이 현상은 빛이 여러 방향으로 흩어지게 합니다. 레일리 산란은 파장이 짧은 빛에 대해 강하게 작용하므로, 파란색과 자주색 빛이 상대적으로 많이 산란됩니다. 이 원리 때문에 하늘이 파란색으로 보이고, 해가 지거나 뜰 때 붉은색 계열의 빛이 강조되는 것입니다.
미 산란 (Mie scattering): 미 산란은 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 큰 경우에 발생합니다. 이 현상은 대기 중의 먼지, 연기, 액체 물방울 등과 같은 상대적으로 큰 입자와 빛이 상호작용할 때 일어납니다. 미 산란은 파장에 따른 산란 효과의 차이가 레일리 산란보다 덜하기 때문에, 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란됩니다. 이 현상은 구름이나 안개가 흰색으로 보이는 이유입니다.
결론적으로 레일리 산란은 작은 입자와 상호작용하는 파란색 빛의 산란에 강하며, 미 산란은 큰 입자와 상호작용하여 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란되는 현상입니다.
파장이 짧고 긴 것이 왜 다르게 작용해?
파장이 짧은 빛과 긴 빛이 다르게 작용하는 이유는 레일리 산란과 미 산란이 각각 파장에 따라 다른 특성을 가지기 때문입니다.
레일리 산란의 경우, 입자 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때 발생합니다. 이 때 산란 정도는 파장에 반비례하여 제곱의 역수로 비례합니다 (산란 정도 ∝ 1/λ^4). 즉, 파장이 짧은 빛일수록 산란 정도가 더 큽니다. 이 때문에 파란색 빛(파장이 짧음)이 레일리 산란에서 더 강하게 산란되고, 붉은색 빛(파장이 길음)은 상대적으로 적게 산란됩니다. 이러한 특성 때문에 하늘이 파란색으로 보이고, 일몰이나 일출 때 붉은색 계열의 빛이 강조되는 현상이 발생합니다.
반면 미 산란은 입자 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 큰 경우에 발생하며, 파장에 따른 산란 정도의 차이가 레일리 산란보다 덜 합니다. 이 경우, 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란되어, 흰색 구름이나 안개와 같은 현상이 발생합니다.
결론적으로, 파장이 짧은 빛과 긴 빛이 다르게 작용하는 이유는 산란 현상의 물리적 원리와 파장에 따른 산란 정도의 차이 때문입니다. 레일리 산란에서는 파장이 짧은 빛이 더 강하게 산란되는 반면, 미 산란에서는 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란됩니다.
레일리 산란과 미 산란이 각각 파장에 따라 다른 특성을 갖는 이유가 뭐지?
레일리 산란과 미 산란이 각각 파장에 따라 다른 특성을 갖는 이유는 산란 과정에서 빛과 입자 사이의 상호작용이 다르기 때문입니다. 빛은 전자기파로서, 입자와 상호작용할 때 입자의 전자들을 진동시킵니다. 입자의 크기와 빛의 파장에 따라 이 상호작용이 달라집니다.
레일리 산란:
레일리 산란은 입자의 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때 발생합니다. 이 경우, 빛의 전자기장이 입자에 의해 국소적으로 왜곡되어, 입자가 빛을 다양한 방향으로 재방출합니다. 레일리 산란은 파장에 반비례하여 제곱의 역수로 비례하는 특성을 가지며 (산란 정도 ∝ 1/λ^4), 이는 짧은 파장의 빛이 더 강하게 산란됩니다. 이러한 특성은 파장이 짧은 파란색 빛이 대기에서 더 많이 산란되어 하늘이 파란색으로 보이는 현상에 영향을 줍니다.
미 산란:
미 산란은 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 클 때 발생합니다. 이 경우, 빛의 전자기장이 입자 전체에 영향을 미치며, 입자가 빛을 여러 방향으로 방출하는 현상이 발생합니다. 미 산란은 레일리 산란에 비해 파장에 따른 산란 정도의 차이가 덜하므로, 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란됩니다. 이 현상은 구름이나 안개가 흰색으로 보이는 원인입니다.
요약하면, 레일리 산란과 미 산란이 각각 파장에 따라 다른 특성을 갖는 이유는 빛과 입자 사이의 상호작용이 다르기 때문입니다. 레일리 산란은 작은 입자와 짧은 파장의 빛의 상호작용에 강하게 작용하며, 미 산란은 큰 입자와 모든 파장의 빛에 대해 거의 동일하게 작용합니다.
입자의 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때는 빛의 전자기장이 국소적으로 왜곡되고, 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 클 때 빛의 전자기장이 입자 전체에 영향을 미친다. 그 이유가 뭐지?
빛의 전자기장이 입자 크기에 따라 국소적으로 왜곡되거나 입자 전체에 영향을 미치는 이유는 입자와 빛의 상호작용에 따른 전자기장의 분포와 입자의 전자들에 미치는 영향 때문입니다.
입자 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때 (레일리 산란): 이 경우, 입자는 전자기파의 주기에 비해 상대적으로 아주 작기 때문에, 전자기파의 전자기장이 입자 주변에서 균일하게 분포됩니다. 이로 인해 입자의 전자들은 주변의 전자기장에 국소적으로 영향을 받아 빛을 산란하게 됩니다. 이 때, 산란 정도는 파장의 역사를 따르기 때문에, 짧은 파장의 빛이 더 강하게 산란됩니다.
입자 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 클 때 (미 산란): 이 경우, 입자는 전자기파의 주기와 비슷한 크기를 가지므로, 빛의 전자기장이 입자 전체에 영향을 미칩니다. 입자의 전자들이 전자기파의 전체 구조에 노출되어 전자기장의 변화에 영향을 받기 때문에, 빛이 여러 방향으로 산란되는 현상이 발생합니다. 미 산란에서는 파장에 따른 산란 정도의 차이가 레일리 산란보다 덜하므로, 모든 색의 빛이 거의 동일하게 산란됩니다.
결론적으로, 입자 크기가 빛의 파장보다 훨씬 작을 때와 크기가 빛의 파장과 비슷하거나 더 클 때 빛의 전자기장이 다르게 영향을 받는 이유는 전자기장의 분포와 입자의 전자들에 미치는 영향 때문입니다. 이러한 차이로 인해 레일리 산란과 미 산란이 각각 파장에 따라 다른 특성을 갖게 됩니다.
위의 영상에서 전달하고자 했던 내용과 일맥상통하는 것 같다.
버몬트주에 있는 한 대학교의 기상학 수업 노트를 발견했다.
Survey of Meteorology - Class Notes - Outline - Lyndon State College (vsc.edu)