임계각 48도가 만든 마법! 펭귄이 바라보는 ‘또 다른 세계’의 물리학.
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
수조를 아래에서 올려다보면, 마치 하늘이 둥글게 잘려 있는 것처럼 보인 적 있나요? 저는 스미다 수족관의 펭귄 수조에서 바로 그 신기한 장면을 만났습니다. 푸르게 물든 수조 바닥 위에 둥둥 떠 있는 원형의 창. 그 창 너머로는 바깥 세상이 선명하게 보입니다. 왜 이런 일이 일어날까요? 사실 이것은 고등학교 물리에서 배우는 ‘빛의 굴절과 전반사’가 만들어내는 자연의 정교한 트릭입니다。
스미다 수족관에서 만난 신비로운 풍경
며칠 전, 스미다 수족관을 방문했습니다. 이곳의 하이라이트는 실내에 있는 거대한 펭귄 수조입니다. 2층에서 수조를 내려다보면 바닥의 푸른색이 또렷하게 보입니다。
2층에서는 수조 바닥의 파란색이 잘 보입니다
그리고 1층으로 내려가면 수조를 아래에서 올려다볼 수 있습니다. 그때 눈에 들어온 장면이 바로 아래 영상입니다。
물을 통해 하늘을 올려다보면, 화면의 일부는 푸르게 물들어 바깥이 보이지 않는 영역과, 오른쪽 위처럼 바깥 세상이 또렷하게 보이는 영역으로 뚜렷하게 나뉩니다. 마치 물속에 둥근 창이 뚫려 있는 듯한 느낌입니다。
이 현상은 하코네엔 수족관에서도 확인할 수 있었습니다. 아래 영상도 함께 보세요。
참고로, 그 신비로운 파란색의 정체는 의외로 단순합니다. 바로 수조 바닥 콘크리트에 칠해진 파란색입니다。
그렇다면 왜 ‘둥글게 잘린 창’이 생길까요? 그 비밀을 하나씩 살펴보겠습니다。
핵심은 ‘빛의 굴절과 전반사’ — 고등학교 물리의 등장
이 현상의 핵심은 빛이 물과 공기의 경계에서 꺾이는 ‘굴절’과, 일정한 각도를 넘으면 빛이 수면을 빠져나가지 못하는 ‘전반사’라는 두 가지 성질입니다. 먼저, 수조를 비스듬히 아래에서 올려다보면 천장의 빛이 수면에서 굴절되어 눈에 들어옵니다. 빛은 ‘가역성’을 가지기 때문에, 눈에 들어온 빛의 경로를 거꾸로 따라갈 수 있습니다。 
시선을 점점 수평에 가깝게 낮추면, 어느 순간 바깥 세상이 보이지 않게 됩니다. 이 경계가 되는 각도를 임계각이라고 합니다. 공기의 굴절률을 약 1, 물의 굴절률을 약 1.33으로 두고 계산하면, 이 임계각은 약 48도가 됩니다. 고등학생이라면 함수 계산기에서 아크사인 arcsin을 이용해 직접 계산해보는 것도 좋습니다。
임계각보다 얕은 각도로 보면 바깥이 보이지만, 그보다 깊은 각도에서는 빛이 수면에서 전반사되어 바깥 세상은 보이지 않고 수조 바닥의 파란색만 보이게 됩니다。
이 ‘보인다/보이지 않는다’의 경계는 수평 방향으로 360도 퍼져 있습니다. 입체적으로 생각하면 둥근 창 모양이 되는 것이죠. 이것이 바로 ‘마법 같은 원형 창’의 정체입니다。
실제로는 수조 유리와 공기 사이에서도 굴절이 일어나기 때문에, 임계각은 48도보다 조금 더 커집니다。
펭귄이 바라보는 세상은 ‘둥근 창’ 너머의 풍경
다시 한 번, 2층에서 찍은 사진을 보겠습니다。
위에서 보면 바닥의 파란색이 전체를 덮고 있지만, 물속에서 올려다보면 오직 둥근 창 안에서만 바깥 세상이 보입니다. 꽤 신기하죠。
사실 물속에서 살아가는 펭귄들도 이 ‘둥근 창’을 통해 우리를 보고 있습니다. 그들에게 하늘은 수면 전체가 아니라, 작은 원 안에 담긴 풍경입니다. 물고기나 수중 생물들이 ‘수면의 둥근 창’을 통해 바깥을 바라보는 이 현상은 Snell’s window라고도 불리며, 수중 사진가들에게도 잘 알려진 광학 현상입니다。
스미다 수족관에 간다면 꼭 1층에서 수조를 올려다보세요. 데이트 중이라면 이런 이야기를 슬쩍 꺼내보는 것도 좋을지도 모릅니다. 분위기가 좋아질지는… 장담할 수 없지만요。
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