하늘은 왜 파랗고 노을은 왜 붉을까? 비누방울과 페트병으로 밝혀보는 놀라운 과학!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
“하늘은 왜 파랗게 보여요?” “그럼, 저녁노을은 왜 빨간 거예요?”
과학 선생님이라면 (어쩌면 부모님들도) 한 번쯤 아이들에게 받아봤을 질문이죠? 이럴 때, 말이나 그림으로 ‘빛의 산란(散亂)’ 에 대해 설명하는 것도 좋지만, 역시 직접 보여주는 것만큼 확실한 건 없죠. 무엇보다 학생들(아이들)에게는 이론보다는 “와!”하고 감동하는 체험이야말로 강한 기억으로 남을 거라고 생각합니다.
그동안 우산 비닐을 이용한 산란 실험을 과학 레시피 노트에서도 소개해왔습니다.
하지만 이 방법으로는 ‘노을의 붉은 하늘’은 잘 보이지만, ‘낮의 푸른 하늘’을 동시에 보여주기가 조금 어려웠습니다. 아무래도 ‘빨간색’에 시선이 쏠려서 ‘파란색’이 잘 구분이 안 되었거든요. ‘어떻게든 저 감동적인 파랑과 빨강의 대비를 동시에 보여줄 수 없을까…’ 하고 이리저리 궁리하며 과학실에서 다양한 실험을 하던 중,
두 가지 색을 한 번에 멋지게 보여주는 방법을 우연히 발견했습니다! 페트병과 ‘이것’만 있으면 놀라울 만큼 아름다운 ‘하늘’을 만들 수 있어요. 여러분께 소개해 드리겠습니다!
💡과학 레시피
준비물:
페트병(1.5L), 거품 핸드워시 (예: 키레이키레이), 큰 LED 손전등 (페트병 바닥이 올라갈 정도 크기)
왁스나 일반 비누 등 여러 가지를 시도해봤는데, 거품 핸드워시가 만드는 미세한 입자 크기가 빛의 산란에 가장 적합한 것 같아 개인적으로는 최고라고 생각합니다.
순서
① 페트병에 물을 채우고, 핸드워시 원액을 1~2번 정도 펌프질해서 넣고 잘 흔들어줍니다. 전체가 은은하게 하얗게 될 정도가 가장 좋습니다. 너무 많이 넣지 않도록 주의하세요!
② LED 손전등 위에 페트병을 올립니다.
③ 방을 어둡게 하고, LED를 켭니다.
④ 페트병을 눕혀서 관찰해봅니다.
결과
먼저, 페트병을 ‘세워서’ 놓아봅니다. 광원에 가까운 아래쪽은 용액이 희미하게 푸르스름하게 빛나 보입니다.
그리고 광원에서 멀리 떨어진 ‘위쪽’ 으로 갈수록,
노란색에서 붉은색으로 보입니다.
정면에서 보면 더 잘 알 수 있습니다. 이것이 바로 ‘저녁노을’ 색이죠.
이렇게 파란색부터 빨간색까지 보이지만, 정작 중요한 ‘푸른 하늘’ 이 아직 희미해서 차이가 잘 느껴지지 않죠? 그래서 페트병을 옆으로 눕혀봤습니다. 그랬더니…! 이렇게나 선명하게 보이는 거예요.
가까이서 보면…
정말 놀랍죠! 옆면에서 본 ‘파란색’이 또렷하게 하늘색처럼 보입니다! 그리고 광원 반대편은 멋지게 ‘빨간색’으로 물들어 있습니다.
🧐왜 페트병으로 ‘하늘’을 재현할 수 있을까?
이 실험은 웅장한 지구의 하늘에서 일어나는 일을 작은 페트병 안에서 재현하고 있습니다. 주역은 LED ‘빛’ 과 비누의 ‘미세 입자’ 입니다.
핸드워시의 역할 물에 녹은 비누의 미세 입자는 지구 ‘대기(공기층)’ 속의 먼지나 분자 대신 역할을 합니다.
‘푸른 하늘’의 정체 (산란광) 태양광(LED 빛)이 지구 대기에 부딪히면, 빛은 사방팔방으로 흩어집니다. 이를 ‘산란’ 이라고 합니다. 이때, 파장이 짧은 ‘푸른빛’은 파장이 긴 ‘붉은빛’보다 훨씬 격렬하게 산란되는 성질(레일리 산란) 이 있습니다. 페트병의 ‘옆면’이 파랗게 보인 것은 산란된 푸른빛이 우리 눈에 도달했기 때문입니다. 이것이 바로 낮 하늘이 파란 이유입니다.
‘저녁노을’의 정체 (투과광) 그렇다면 왜 저녁노을은 붉을까요? 해 질 녘, 태양은 지평선으로 기울어집니다. 그러면 태양빛은 낮보다 훨씬 ‘긴 거리’ 의 대기(공기층)를 통과해야 합니다. 이 긴 여정 중에 산란되기 쉬운 ‘푸른빛’은 여기저기 흩어져 버려 우리 눈에 잘 도달하기 어렵게 됩니다. 그 결과, 산란이 잘 안되고 곧장 나아가는 힘이 강한 ‘붉은빛’만 대기를 뚫고 우리 눈에 도달하는 것입니다. 실험에서 광원(LED) 바로 위나, 페트병을 눕혔을 때의 반대편이 붉게 보인 것은, 물 용액이라는 ‘대기’를 길게 통과해 온 ‘붉은 투과광’ 을 보고 있었던 셈이죠.
페트병을 ‘세우면’ 아래(낮)부터 위(저녁)까지의 색 변화를, ‘옆으로 눕히면’ ‘낮의 푸른 하늘(옆면)’과 ‘저녁노을의 붉은색(투과광)’의 대비를 극적으로 쉽게 이해할 수 있습니다. 설마 페트병이라는 단단한 재질로 보여준 것이 이렇게나 아름다운 대비를 만들어낼 줄이야, 기쁜 부산물이었습니다. 이 정도라면 학생들 조마다 하나씩 준비해도 LED 손전등만 있으면 되니 몇천 원 정도로 충분할 것 같습니다.
집에서도 쉽게 시도해 볼 수 있는 ‘손바닥만 한 지구’ 입니다. 꼭 해보세요!!
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