빛이 휘어지는 효과가 있습니다. 공기는 상당히 투명하지만, 공기층이 두꺼울 때(예: 관찰자와 먼 지평선 사이에 있을 때) 빛이 아래쪽으로 휘어져 지평선 너머를 볼 수 있게 됩니다. 휘어지는 정확한 정도는 공기 밀도, 온도, 습도, 관찰 각도 등 여러 요인에 따라 달라지지만, 일반적으로 지평선에서는 약 0.5도 정도입니다.

예를 들어, 해가 지기 직전에 태양이 지평선에 살짝 닿는 것처럼 보일 때, 실제로는 태양이 이미 지평선 아래로 향한 것입니다. 이는 1/2도의 호의 각도가 태양의 겉보기 크기와 거의 일치하기 때문입니다.



지구 대기는 여러 층의 공기로 이루어져 있습니다. 이 중 밀도가 낮은 층은 뜨겁고, 밀도가 높은 층은 차갑습니다. 뜨거운 공기층은 빛에 대해 광학적으로 밀도가 낮은 매질 역할을 하고, 차가운 공기층은 빛에 대해 광학적으로 밀도가 높은 매질 역할을 합니다. 따라서 대기 중 물체에서 방출된 빛은 밀도가 다양한 여러 층의 공기로 이루어진 대기를 통과하면서 굴절됩니다.

따라서 지구 대기에 의해 발생하는 빛의 굴절 현상을 '대기 굴절' 이라고 합니다 .

대기 굴절의 예

a. 별들의 반짝임

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별빛은 광학 밀도가 서로 다른 여러 층의 대기를 통과한 후 마침내 우리 눈에 도달합니다. 하지만 온도 변화로 인해 대기 각 층의 광학 밀도는 끊임없이 변화합니다.

이 때문에 별에서 나오는 빛은 시간에 따라 서로 다른 정도로 굴절되고, 굴절된 빛줄기의 경로는 계속해서 변합니다.

따라서 때로는 우리 눈으로 굴절되는 빛의 양 때문에 별이 더 밝게 보이고, 반대로 때로는 우리 눈으로 굴절되는 빛의 양이 적어 별이 어둡게 보입니다. 이것이 바로 별이 반짝이는 현상입니다.

b. 태양은 실제 일출 2분 전과 실제 일몰 2분 후에 보입니다.

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대기 굴절 현상 때문에 실제 일출과 일몰 시간 전후 2분 동안 태양을 볼 수 있습니다. 태양에서 방출된 빛은 대기 중의 광학적으로 굴절률이 낮은 공기층을 통과하면서 지면 쪽으로 굴절됩니다. 태양이 지평선 바로 아래에 있을 때 이러한 현상이 발생하여 태양이 지평선 위로 약간 떠 있는 것처럼 보이게 되므로, 실제 일출과 일몰 시간 전후 2분 동안 태양을 볼 수 있는 것입니다.

c. 미라지

사막 지역의 여름철에는 대기 굴절로 인해 '신기루'라는 착시 현상이 발생합니다. 신기루가 발생하면 나무와 같은 물체가 거꾸로 뒤집혀 연못가에 있는 것처럼 보입니다. 무더운 여름날에는 지표면 근처의 공기층이 뜨거워져 광학적으로 밀도가 낮아집니다. 반면 지표면 위의 공기층은 차갑기 때문에 광학적으로 밀도가 높아집니다. 따라서 빛은 차가운 공기층과 뜨거운 공기층 사이의 급격한 변화를 통과할 때 굴절됩니다.



우리 일상생활에는 굴절의 예가 아주 많습니다. 굴절은 어디에나 존재합니다. 대기, 눈, 표면 등 모든 곳에서 볼 수 있죠. 그저 일상생활 속에서 관찰하기만 하면 됩니다.

  1. 유리컵에 물을 담고 연필을 넣으면 연필이 휘어져 보이는 것처럼 보일 텐데, 이것 또한 굴절 현상 때문입니다.
  2. 물 속에 손전등 불빛을 비추면 빛 굴절 현상을 볼 수 있습니다.
  3. 무지개의 형성 또한 굴절의 한 예입니다.
  4. 눈의 수정체 또한 빛을 굴절시킵니다.
  5. 프리즘에서 빛이 분산되는 것 또한 빛의 굴절 때문입니다 .
  6. 물속을 들여다보면 어떤 물체들이 실제 크기보다 더 크게 보이는 것을 볼 수 있습니다. 이것 또한 빛의 굴절 때문입니다.
  7. 사막을 방문하면 신기루 라고 불리는 빛의 착시 현상을 볼 수 있습니다 . 이것 역시 빛의 굴절 때문에 발생하는 현상입니다.
  8. 해 뜨기 전과 해 진 후에 태양이 보이는 것도 빛의 굴절 때문입니다.
  9. 운전 중에 고속도로에서 도로 앞쪽에 마치 도로 위에 물이 있는 것처럼 보이는 현상을 종종 볼 수 있습니다. 사실 이것은 물의 굴절 때문에 발생하는 착시 현상입니다.
  10. 별의 반짝임 또한 빛의 굴절의 한 예입니다.
  11. 강둑에 가보면 물속에 거꾸로 떠 있는 나무를 볼 수 있는데, 이는 빛의 굴절 때문입니다.

빛의 굴절은 어디에나 존재하지만, 그것을 관찰하는 것이 중요할 뿐




우리는 해나 달이 질 때 나타나는 왜곡 현상에 익숙합니다. 이 천체들의 평균 크기는 약 30분각 정도라는 것을 기억하세요. 다음 이미지는 왜곡으로 인해 평면처럼 보이는 현상을 보여줍니다. 또한 대기 난류의 영향도 포함되어 있습니다.


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https://asterism.org/resources/atmospheric-extinction-and-refraction/


이 타원형 모양을 설명하려면 지평선에 가까워질수록 대기 굴절이 얼마나 빠르게 증가하는지 살펴봐야 합니다. 고도 20°, 10°, 0°에서 의 굴절각 (  r )  은 각각 18.4°, 24.75°, 35.35°입니다. 태양이나 달처럼 길쭉한 천체의 경우, 아래쪽의 굴절각이 위쪽보다 크기 때문에 타원형으로 보입니다. 태양이 지평선에 있는 것처럼 보일 때는 실제로 태양이 진 것입니다.