[과학세상] 빛의 산란이 빚어낸 푸르른 가을하늘

기온은 조금씩 내려가고 있었지만 습도가 높아 여름의 끝자락은 여전히 답답하고 더웠다. 그런데 어제 오늘 사이, 계절이 갑자기 가을로 한 걸음 성큼 옮겨간 듯하다. 아침저녁으로 불어오는 바람에 선선함이 묻어나고, 습기와 먼지가 걷힌 하늘은 투명한 푸른빛을 쏟아냈다. 한참을 올려다보고 있어도 좀처럼 싫증이 나지 않는 하늘! 어느 시인의 말처럼 그리운 사람을 그리워해야 할 것만 같이 눈부시게 푸르른 하늘을 보고 있으면 마음이 편안해진다.

잘 알려진 것처럼 하늘이 파란 것은 대기 속에서 빛이 사방으로 흩어지기 때문이다. 흔히 이를 산란이라 한다. 태양빛에는 보라부터 빨강까지 서로 다른 파장을 가진 여러 색의 빛이 섞여 있다. 이 빛이 대기 속으로 들어오면 공기를 이루는 아주 작은 분자들과 부딪쳐 흩어지는데, 빛마다 그 흩어짐의 정도가 다르다. 짧은 파장의 파란빛은 이보다 파장이 긴 빨간빛보다 훨씬 쉽게 흩어진다. 그래서 우리는 태양에서 곧장 들어오는 빛뿐 아니라 하늘 곳곳에서 흩어져 오는 파란빛까지 함께 보게 된다.

굳이 가을 하늘을 예로 들지 않아도 파란색은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있다. 그만큼 익숙하고 친숙한 색이지만, 파란색 그것도 가을 하늘처럼 맑고 투명한 느낌의 파랑을 인위적으로 만들어 내는 건 그리 만만한 일이 아니다. 축제 말미에 자주 등장하는 불꽃쇼만 봐도 그렇다.

불꽃은 어떻게 다양한 색을 만들어낼까? 핵심은 스타(star)라 불리는 작은 불꽃 덩어리 안에 들어 있는 화합물이다. 어떤 물질을 넣는지에 따라 불꽃이 내는 색이 달라진다. 스트론튬 화합물은 강렬한 빨간색을, 나트륨 화합물은 따뜻한 노란색을, 바륨 화합물은 청량한 초록색을 낸다.

화합물의 불꽃 색이 다른 이유는 물질을 이루는 원자마다 전자가 오르내릴 수 있는 ‘에너지 계단’의 간격이 서로 다르기 때문이다. 불꽃의 뜨거운 열을 받은 전자는 높은 에너지 계단으로 올라갔다가 다시 낮은 곳으로 내려오면서 그 차이에 해당하는 에너지를 빛으로 내놓는다. 그리고 그 빛의 에너지에 따라 우리가 보는 색도 달라진다. 이렇게 보면 불꽃은 전자가 제자리를 찾아 돌아가며 내지르는 ‘빛의 함성’인 셈이다.

그런데 밤하늘이 황금빛 불꽃으로 뒤덮이는 광경은 쉽게 볼 수 있어도, 선명한 파란 불꽃은 좀처럼 보기 어렵다. 파란색은 캄캄한 밤하늘을 배경으로 하면 다른 색보다 눈에 잘 띄지 않는다. 하지만 더 근본적인 이유는 파란빛을 만들어내는 화학적 조건이 매우 까다롭기 때문이다.

파란 불꽃에는 주로 구리 화합물이 사용된다. 그런데 파란빛을 내는 화학종은 열에 민감하다. 온도가 너무 낮으면 전자를 흥분시킬 에너지가 부족해 불꽃이 어둡다. 반대로 온도가 너무 높아지면 파란빛을 내는 화학종이 분해되거나 다른 물질로 변해 초록색이나 하얀색 빛을 띠게 된다. 결국 파란 불꽃을 피우려면 아주 좁은 온도 범위, 말 그대로 ‘스위트 스폿(Sweet Spot)’을 정확히 맞춰야 한다. 순식간에 온도가 치솟는 불꽃 속에서 이를 맞추는 것은 여간 어려운 일이 아니다.

파란색을 만들기 어려운 것은 인간이 만든 불꽃만의 이야기가 아니다. 자연의 세계에서도 맑고 선명한 파란색은 의외로 드물다. 붉은 장미, 노란 민들레, 주황색 코스모스, 보라색 꽃은 흔하지만, 유난히 맑고 투명한 파란 꽃은 상대적으로 찾아보기 힘들다. 물론 수국이나 나팔꽃처럼 아름다운 푸른 꽃도 존재하지만, 그 색을 만들어내는 과정은 생각보다 복잡하다.

수국의 푸른색은 꽃의 색을 결정하는 안토시아닌 색소뿐만 아니라 알루미늄 이온과 다른 분자들이 꽃잎 세포 안에서 절묘하게 맞물려 만들어진 결과물이다. 이처럼 파란 꽃은 단순히 파란 색소를 품고 있는 것이 아니라, 분자와 금속 이온, 세포 안의 화학적 환경을 정교하게 제어하는 ‘작은 화학공장’인 셈이다.

그런가 하면 세상에서 가장 아름다운 나비 중 하나로 손꼽히는 모포(Morpho) 나비는 색소가 아닌 날개 비늘의 미세 구조에서 파란색을 얻는다. 날개 표면의 나노 구조가 빛과 만나 특정 파장대의 빛을 강하게 반사하고, 우리는 이를 눈부신 푸른색으로 본다. 이를 ‘구조색’이라고 한다.

그러고 보면 파란색이 세상에 태어나는 방식은 참 다양하다. 하늘빛은 대기 분자가 빛을 흩어놓은 때문이고, 푸른 불꽃은 전자가 에너지 계단을 오르내리며 빛을 내어 생긴 결과다. 꽃은 색소와 금속 이온의 복잡한 만남으로, 나비는 맨눈으로는 식별하기 어려운 미세 구조로 파랑을 만들어 낸다.

오늘 아침 다시 가을 하늘을 올려다봤다. 흔해서 무심했던 저 푸른빛 뒤에 대기와 빛, 원자와 분자, 그리고 눈에 보이지 않는 미세한 구조가 만들어낸 정교한 세계가 숨어 있다니 다시 생각해도 놀랍기 그지없다.