[과학을읽다]무지개는 원래 동그란 모양?

무지개가 반원형이나 부채꼴로 보이는 이유는 무엇일까요? [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]소나기가 자주 내리는 여름은 무지개의 계절입니다. 비가 내린 뒤에 무지개를 보면 괜히 기분이 좋아집니다. 대부분 부채모양이나 반원형으로 펼쳐진 무지개를 보셨을 겁니다.

그런데 동그란 무지개도 있다는 사실 아시나요? 빨주노초파남보 일곱 개의 색상이 원을 그리면서 하늘에 동그랗게 떠있는 모습은 상상만해도 아름다울 것 같지 않나요? 미국의 하와이에는 원형 모양의 무지개를 볼 수 있는 헬기투어 상품도 있다고 합니다. 관광상품이 될 정도로 진귀한 원형 무지개의 비밀은 무엇일까요?

우선 무지개가 어떻게 생성되는지를 알아야 합니다. 무지개는 비가 온 뒤 공중에 남아있는 물방울들이 햇빛에 굴절돼 보이는 모습입니다. 물방울은 지구와 같은 구의 모양을 하고 있습니다. 구 모양인 물방울의 표면을 비추는 햇빛은 백색광으로 보이지만 여러가지 색상이 합쳐져 있습니다. 자외선이니, 적외선이니 하는 말이 그래서 나오는 것이지요.

프리즘이 햇빛의 색깔이 여러 가지 색으로 구분된다는 점을 증명해줍니다. 프리즘은 백색광인 햇빛의 색상을 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색 등으로 분산시킵니다. 무지개가 생길 때는 비가 와서 공중에 남아있던 물방울이 프리즘의 역할을 대신해주는 것입니다. 햇빛은 물방울 안에서 굴절해 빨주노초파남보의 색상들로 반사돼 나오는 것입니다.

여기서 한 가지. 과학적으로 따져보면, 물방울이 입체적 모양인 구이기 때문에 이 입체에 굴절·반사돼 나온 빛도 입체인 구와 비슷한 모양이어야 맞습니다. 굴절·반사되는 서로 다른 각도의 색상들이 둥글게 말려 결국 원의 형태가 되기 때문입니다.

빨강색은 물방울에 굴절·반사돼 중심각이 42°인 원 모양이 되고, 보라색은 중심각이 40°인 원 모양으로 생성됩니다. 여기서 말하는 중심각은 관찰자의 시선을 중심으로 무지개의 빨강색 끝부분과 무지개의 중심이 만드는 각도를 말합니다.

둥근 무지개가 떴습니다. 원래 무지개는 구형으로 둥글지만 사람의 눈에는 반원형만 주로 보입니다. [사진=유튜브 화면캡처]

우리가 알고 있는 무지개는 사실 수 많은 색깔의 둥근 띠가 뭉친 구 모양이라는 말입니다. 일곱색깔이 뭉친 둥근 띠 모양이 무지개의 본 모습으로 알고 있지만 실제로는 그보다 더 많은 무수히 많은 색깔의 둥근 띠 모양이 뭉쳐 구가 된 것이지요.

무지개의 색깔을 일곱색깔로 구분한 사람은 뉴턴입니다. 그러나 대표적으로 드러난 색깔이 일곱개 일뿐 프리즘에 통과시켜 구분할 수 있는 색깔의 종류만 207색이라고 합니다. 그렇게 수 많은 색깔의 둥근 띠들이 뭉쳐있는 구가 무지개인 것입니다.

그렇다면 무지개가 반원 모양이거나 부채꼴 모양으로 보이는 이유는 무엇 때문일까요? 무지개의 나머지 부분은 지표면이 가리고 있어서입니다. 물방울들이 공중에만 있기 때문에 땅에서 무지개를 보면 시야가 가릴 수밖에 없지요. 구 모양이지만 우리가 바라보는 방향은 한 면이기 때문에 평면처럼 보이는 것입니다.

높은 산 위나 비행기를 타고 하늘에서 무지개를 보면, 무지개 모양은 둥근 띠 모양으로 보입니다. 이 때도 구로 보이지 않는 것은 일곱색깔 무지개빛만이 선명하게 시야에 들어오고, 한 면만 바라보기 때문이지요. 비가 내린 뒤 하늘에 물방울이 넓게 퍼져있고, 햇빛이 관찰자의 뒤에서 비추고 있다면 완벽한 형태의 원형 무지개를 관찰할 수 있습니다.

실제로 비행기에서 원형의 무지개를 목격했다는 사람은 많습니다. 하와이에서 휴가를 보낸 사람 중에는 원형 무지개 사진을 찍어온 사람도 있더군요. 간혹 땅에서도 원형 무지개를 목격했다는 사람이 있는데 아주 운이 좋은 사람인 것 같습니다. 둥근 무지개를 아직도 구경하지 못한 사람은 곧 구경할 수 있기를 바랍니다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr