조영우 2009.12.28 21:50

구름이 두꺼울수록 어둡게 보이는 주요 과정은 구름 입자에 의한 빛의 산란일 것입니다. 물방울이 가시광에 대해서는 거의 투명하므로 흡수의 역할은 거의 없을 것입니다.

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astrav 2009.12.30 03:53

물방울이 가시광선에 대해 투명하다고 말씀하시는데 그럼 궁금한것은요.. 태양 가시광선의 90%는 수면하 20미터?? 10미터??.. 아무튼 그 정도 깊이에서 거의 흡수가 일어난다고 알고 있습니다. 구름의 입자가 아무리 물처럼 밀집되어 있지 않고 대기중에 퍼져 있다해도 잘 발달한 적운의 태양광선에 수직인 면의 두께는 충분히 가시광선을 흡수하고도 남을 길이일것입니다.

상층운(권운 계열)이 더 하얀이유는 상층운의 경우 구성입자가 빙정이고 빙정의 표면이 수적의 표면에 비해 빛의 반사율이 크므로(우주에서 보았을때 남북극의 빙하가 바다에 비해 하얀이유) 더 하얗게 보이는것일 것으로 추측이 됩니다.. ... 아닌가요? 구름의 두께가 명암을 결정하는 큰 조건이 아닐까 생각합니다. 물론 구름 내부가 거의 영하로 내려가 모두 빙정으로 구성되는 가을, 겨울철의 중층운은 좀 밝을것이고 수적의 비율이 높은 여름철의 하층운들은 조금만 적운형으로 발달해도 구름의 하층 부위가 어두울것으로 생각됩니다... 전 개인적으로 궁금한게 있는데 기상청연수를 들었을 때 구름의 응결핵이 거의 해염입자로 되어 있는 바다에서 발달한 구름과 먼지입자의 비율이 큰 대륙에서 발달한 구름은 빛의 산란율이 다를것이므로 색이 다르지 않을까 하는 질문을 해보았었지만 명쾌한 대답을 듣지는 못했습니다..

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조영우 2010.01.02 22:57
문제를 명확하게 하기 위해 먼저 두 가지를 검토하겠습니다.
- 첫째, 글 가운데 말씀하신 "흡수"는 아마도 "감쇠"의 의미로 사용하신 듯합니다. 진행하던 방향으로 일어나는 빛의 감쇠를 뜻하는 것이라면 산란 역시 그에 포함됩니다. 산란에 의해 빛이 사방으로 흩어짐으로써 결과적으로 진행하던 방향으로 빛의 감소를 일으키니까요. 엄격한 의미로 빛의 흡수는 광자가 매질에 포획되고 (밀도가 큰 매질인 경우) 다른 형태의 에너지(주로 열에너지)로 전환되는 것을 뜻하며, 저 또한 그런 의미로 사용했습니다. 산란에 의해서 빛의 총량이 변하지는 않지만 진행하던 방향으로는 빛이 감소하기 때문에 두꺼운 적운이 어두워 보인다 해서 그것이 흡수 탓이라고 속단할 수는 없습니다. 그리고 흡수를 주요 요인으로 보기 어려운 이유는 밑에서 따로 다루었습니다.
- 둘째, 상층운의 반사율에 관한 점은 이 경우와는 상황이 다릅니다. 이 경우에 질문자는 구름의 두께에 따라 구름이 얼마나 어두워질 것인지를 질문했습니다. ‘층운형 구름보다 적운형 구름이 두껍기 때문에 어두워 보인다는 점은 이해하지만, 어둡게 보이도록 만든 물리적 과정은 무엇인가‘가 질문의 요지입니다. 다시 말해 광원과 관찰자 사이에 구름이 있고, 그 구름의 두께가 다름에 따라 투과된 빛의 양이 달라질 것인데, 빛의 투과를 결정하는 물리적 요인이 무엇인가를 살펴야 합니다. 말씀하신 상층운의 반사라면 구름이 광원과 관찰자 사이에 존재하는 것이 아니며 투과율이 아닌 반사율을 고려하여야 하는 문제이므로 이 사례에 해당하지 않습니다.
이제 산란과 흡수에 대한 차이를 살펴보겠습니다.

물방울이 가시광에 대해 대체로 투명하다고 한 것은 가시광이 물방울에 대해 공명진동수를 갖지 않는다는 것을 뜻합니다. (공명진동수란 매질의 고유진동수와 같은 진동수이며, 매질의 고유진동수란 매질의 전자구름이 진동하는 고유한 진동수입니다.) 다시 말해, 가시광의 진동수가 물의 고유진동수와 다르기 때문에 가시광의 전기장이 물분자의 전자들에 의해 크게 흡수되지 않는다는 것을 말합니다.

가시광을 포함한 전자기파는 전기장을 가지며, 이것이 매질에 입사할 때 매질 속의 전자를 강제하여 진동을 시킵니다. 만약 입사하는 전자기파의 진동수가 매질의 고유진동수와 같은 경우(공명), 전자기파에 의해 진동하는 전자의 진폭은 매우 커지며 천이(들뜸)가 일어납니다. 매우 희박한 기체라면 광자의 자발 방출이 일어나겠지만 일반적으로 매질의 밀도가 크므로 열에너지로 전환됩니다. 흔히 전자레인지라고 부르는 마이크로파 오븐을 이용하여 수분이 함유된 음식을 덥히는 원리, 또는 수증기의 선택흡수에 의해 나타나는 온실효과를 생각해보면 도움이 될 것입니다.

반면, 입사하는 전자기파의 진동수가 매질의 고유진동수에서 많이 벗어나면, 전자는 입사하는 전자기파의 진동수에 맞추어 강제적으로 진동하기는 하지만 원자가 다른 에너지 상태로 천이를 일으키지는 못합니다. 진동하는 전자는 (입사와 동시에) 입사광과 같은 진동수의 전자기파를 사방으로 방출합니다. 결국 진행하던 방향으로는 빛의 감소가 일어나 투과율이 떨어집니다. 빛은 사방으로 흩어졌을 뿐이지만 빛이 진행하는 방향에 있던 관찰자에게는 마치 빛이 흡수되어 어두워진 것처럼 보입니다. 구름이 두꺼울수록 산란이 증가하므로 더 어둡게 보입니다. 구름에서 흡수가 일어난다면 주로 구름 속의 에어로졸의 영향일 것입니다.

말씀하신 응결핵이나 빙정핵의 종류에 따른 의문 사항은 특정 분야의 연구 주제이므로 기상 전문가라 하더라도 해당 분야의 연구자가 아니라면 쉽게 답변하기 어려울 것입니다. 관심이 있으시다면 이런 논문을 읽어보시기 바랍니다.
자료가 영문인데, 관심 있으신 분야와 같은 전문적인 분야에 관한 논문을 국문으로 찾는 것은 거의 불가능합니다.
- The Effect of Surface Heterogeneity on Cloud Absorption Estimates
- Effects of Absorbing Aerosols on Cloud Absorption and Forcing
“해수에서는 몇 십 미터만 지나도 빛이 완전히 흡수되는데, 몇 km나 되는 구름에서 흡수가 안 일어날 것인가?“라는 의문은, 가시광이 물 분자와 공명하지 않는다는 점과 산란 역시 빛의 감쇠를 일으킨다는 점을 통해 해결되리라고 봅니다.

한 가지 추가하고 싶은 것은 해수에서 투과율이 해수 내 생태계와 부유물에 의해 크게 달라진다는 점입니다. 대기 속에도 그런 불순물이 있지만 일반적인 해수와 같지는 않을 것입니다. 또한, 구름은 해 뿐 아니라 지표에 의해서도 밝게 비추어진다는 점을 고려해야 합니다. 사실 구름과 비슷한 안개 속에서 몇십~백여 미터 전방의 자동차 전조등이 안보이는 경우가 있습니다. 구름이 그만한 두께에도 깜깜하지 않은 데에는 하늘이 구름으로 완전히 덮여 있지 않고, 지표 역시 구름을 비추기 때문입니다. 하늘이 층운으로 완전히 뒤덮일 때 대낮임에도 어둑해지는 경험을 상기해보시기 바랍니다. 만약 몇 km 두께의 적란운으로 온 하늘이 덮인다면 굉장히 어두울 것입니다.

참고문헌
- 광학, 4th ed. 3장, 조재홍 외 역 (Eugene Hecht), 두양사, 2002
- 과학교사를 위한 빛과 파동 4장, 김중복 외, 홍릉과학출판사, 2007
- Fundamentals of Optics, 4th ed. chap. 22, F.A. Jenkins & H.E. White, 1981
- http://www1.lsbu.ac.uk/water/vibrat.html
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