무지개는 원래 둥글다?

무지개가 원래 둥글다는 것은 과학적으로 매우 흥미로운 현상입니다.

우리가 흔히 보는 무지개가 활 모양인 이유는 우리가 서 있는 위치와 태양, 그리고 공기 중의 물방울들이 만들어내는 각도 때문입니다.

무지개 형성의 기본 원리: 빛의 굴절, 반사, 분산

무지개는 햇빛이 공기 중의 수많은 물방울에 부딪히면서 나타나는 현상입니다. 여기에는 세 가지 주요한 과학 원리가 작용합니다.

1. 빛의 굴절 (Refraction): 햇빛이 공기 중에서 물방울 안으로 들어가거나, 물방울 밖으로 나올 때 빛의 진행 방향이 꺾이는 현상입니다. 공기와 물은 밀도가 다르기 때문에 빛의 속도가 달라지고, 이로 인해 빛이 꺾이게 됩니다.
2. 빛의 반사 (Reflection): 물방울 안으로 들어간 빛이 물방울의 뒷면(내부)에 부딪혀 다시 튕겨 나오는 현상입니다.
3. 빛의 분산 (Dispersion): 햇빛(백색광)은 빨주노초파남보 여러 가지 색깔의 빛이 합쳐진 것입니다. 각 색깔의 빛은 고유한 파장을 가지고 있으며, 물방울 안에서 굴절될 때 파장에 따라 꺾이는 각도가 미묘하게 다릅니다. 파장이 짧은 보라색 빛은 많이 꺾이고, 파장이 긴 빨간색 빛은 적게 꺾입니다. 이처럼 빛이 색깔별로 분리되는 현상을 '분산'이라고 합니다.

무지개가 둥근 이유: 원추형의 빛 다발

이 세 가지 원리가 종합적으로 작용하여 무지개가 둥근 모양을 띠게 됩니다.

1. 동심원상의 각도: 햇빛이 물방울에 들어가 굴절되고 반사된 후 다시 굴절되어 나올 때, 특정한 각도에서 가장 강하게 우리 눈으로 들어옵니다. 이 각도는 빨간색 빛의 경우 약 42도, 보라색 빛의 경우 약 40도입니다.
2. 원뿔 모양의 빛 다발: 이처럼 특정한 각도로 나오는 빛들은 우리 눈을 중심으로 하는 거대한 원뿔 모양의 빛 다발을 형성합니다. 태양이 관찰자의 등 뒤에 있을 때, 이 원뿔의 꼭짓점은 관찰자의 눈에 위치하고, 원뿔의 바닥은 대기 중의 수많은 물방울이 있는 곳에 형성됩니다.
3. 원형의 무지개: 이 원뿔 모양의 빛 다발이 우리 눈에 들어올 때, 우리는 이 원뿔의 바닥에 해당하는 부분, 즉 원형의 무지개를 보게 되는 것입니다. 모든 물방울은 동일한 방식으로 빛을 굴절시키고 반사시키기 때문에, 우리 눈을 중심으로 특정 각도를 이루는 모든 물방울에서 오는 빛이 하나의 원형 무지개를 형성하게 되는 것이죠.

왜 활 모양으로 보일까?

하지만 우리는 대부분 무지개를 둥근 원이 아닌 활 모양으로 봅니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 지평선/지면의 방해: 무지개가 형성되는 원뿔 모양의 빛 다발 중, 대부분은 지평선 아래에 위치하게 됩니다. 따라서 우리는 무지개 원의 절반 또는 그 이하만을 볼 수 있습니다.
• 높은 곳에서는 원형 무지개 관찰 가능: 비행기를 타고 하늘을 날거나 아주 높은 산 정상에 올라가면 지면의 방해를 받지 않고 완전한 원형의 무지개를 볼 수 있는 경우가 있습니다. 이때는 무지개의 모든 색깔이 완벽한 동심원을 이루는 것을 확인할 수 있습니다.

결론적으로, 무지개는 빛의 굴절, 반사, 분산이라는 과학적 원리에 의해 태양과 관찰자의 눈을 잇는 선을 축으로 하는 원뿔 모양으로 빛이 방출되면서 형성되는 원래 둥근 형태를 가지고 있습니다. 다만 우리가 지상에서 관찰하기 때문에 지면의 방해를 받아 활 모양으로 보이는 것일 뿐입니다.

 

무지개 형태	원형
둥근 이유	빛이 빗방울 안에서 굴절, 반사, 분산되면서 42도 각도로 퍼짐
왜 반원만 보일까?	지표면이 가려서 아래쪽이 보이지 않는 것
비행기에서 보면	완전한 원형 무지개가 관찰 가능