무지개(대기과학) (rainbow)

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             무지개(대기과학) (rainbow)

빛이 광원으로부터 어느 정도 떨어진 비·물보라·안개와 같은 물방울의 집합체를 비출 때 나타나는 일련의 채색된 동심호(同心弧)(→ 일사).

 무지개는 태양이 소나기의 빗방울을 비출 때 태양과 반대방향에서 가장 흔하게 관찰된다.

비행기 등을 타고 하늘에서 바라보면 동심원으로 보인다.

 무지개의 채색된 선(線)들은 물방울 속으로 투과된광선의 굴절과 내부반사에 의해 생긴다.

 

 

파장이 다른 각각의 빛들은 각각 다른 굴절각을 갖고 휘기 때문에 입사광을 구성하는 빛깔들은 물방울을 통과해 나올 때 각 성분으로 분해된다.

가장 밝고 흔히 관찰되는 무지개는 빛이 물방울 내에서 1번 내부반사된 후 밖으로 나와 만들어진 '1차 무지개'라 부르는 것이다.

이 무지개의 호상(弧狀) 각반경(角半俓)은 42° 정도이고 안쪽에서부터 바깥쪽으로 보라·남색·파랑·초록·노랑·주황·빨강을 나타낸다.

 때로 2차 무지개가 관찰되는데, 이것은 1차 무지개보다는 색이 희미하고 색층이 역전(逆轉)되어 있다.

2차 무지개는 약 50° 정도의 호상 각반경을 가지므로 1차 무지개의 위쪽에 나타난다.

이 무지개는 빛이 물방울 내에서 2번 내부반사해 생긴 결과이다. 3번 이상의 다단계 내부반사를 통해 더 고차의 무지개가 생길 수 있으나 이것은 매우 희미하므로 거의 관찰되지 않는다.

때로 희미하게 채색된 고리가 1차 무지개 안쪽에서 나타나는데 이는 과잉(過剩) 무지개라 불리는 것으로, 물방울 내에서 내부반사를 통해 나온 빛들의 상호간섭으로 생긴 것이다.

 

 

 

 

 

     무지개는 왜 둥글게 보일까?

여름철 저녁 무렵에 갑자기 쏟아진 소나기가 뚝 그치고 햇빛이 나면 동쪽 하늘에 크고 높은 쌍무지개가 생기는 경우가 있다. 이것은 공기중에 떠 있는 작은 물방울에 의한 빛의 분산현상으로 생긴다. 해를 등지고 서서 분무기로 물을 공중에 뿜거나 폭포수의 물보라가 안개처럼 피어날 때도 볼 수 있는 현상이다. 그러면 무지개가 생성되는 과정과 둥글게 생기는 이유를 단계적으로 살펴보자.

1. 가시광선을 프리즘에 입사시키면 파장이 긴 빨강색 빛보다 파장이 짧은 보라색 빛의 굴절률이 더 크기 때문에 [그림1]처럼 분산된다.

            

 

 

 

2. 1차 무지개: [그림2]와 같이 물방울에 위쪽으로 들어가는 햇빛은 일단 굴절하여 분산된 후 물방울과 공기의 경계면에서 전반사 되었다가 다시 굴절되어 나와서 , 햇빛에 대하여 보라색 빛은 40º, 빨강색 빛은 42º의 각도를 이루는 방향으로 나타난다.

 

                            

 

 

3. 2차 무지개: [그림3]과 같이 물방울에 아랫쪽으로 들어가는 햇빛은 물방울 속에서 일단 굴절, 분산 된 후, 전반사 현상을 두 번 일으키고 나오기 때문에 빛이 약하고 빨강색 빛은 햇빛과 50º, 보라색 빛은 54º의 각도를 이루는 방향으로 나타난다.

 

                             

 

 

4. 무지개는 왜 둥글까?: [그림4]와 같이 관측자가 태양을 등지고 지면에 섰을 때, 태양과 관측자의 눈을 잇는 선(햇빛의 진행 방향)을 기준으로 1차 무지개는 40º와 42º사이에, 2차 무지개는 그 바깥쪽에 50º와 54º의 방향으로, 관측자의 눈의 위치를 꼭지점으로 하는 원뿔의 바닥 모양으로 무지개가 둥글게 나타난다.

 

(물방울은 무수히 많으며 물방울에 입사한 빛은 관측자의 위치에서 원뿔 바닥에 동심원으로 배열된 물방울에서 굴절된 빛에 대하여 같은 각도로 굴절되므로) 만일 비행기를 타고 높은 하늘에 떠서 무지개를 보았다면 관측자 아래의 물방울에 입사한 빛도 관측자에 대하여 동심원으로 배열 되므로 그 모양은 완전한 원이 될 것이다.

공주대학교 전자교과서  http://science.kongju.ac.kr/

 

 

 

 

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