무지개는 해를 등지고 서야 보이고, 두 번째 무지개는 색 순서가 반대입니다. 물방울 속에서 빛이 꺾이는 원리를 정리했습니다.
물이 담긴 컵에 빨대를 꽂으면 수면에서 빨대가 꺾여 보입니다. 빛이 공기에서 물로 들어갈 때 속도가 느려지면서 진행 방향이 꺾이기 때문입니다. 이것을 굴절이라고 합니다. 물속에서 빛의 속도는 진공에서의 약 4분의 3이고, 물의 굴절률은 약 1.33입니다. 수영장 바닥이 실제보다 얕아 보이는 것도 같은 이유로, 바로 위에서 내려다보면 실제 깊이의 약 4분의 3 정도로 보입니다. 보기보다 깊을 수 있다는 뜻이니, 처음 들어가는 물에서는 깊이를 눈대중으로만 판단하지 않는 것이 안전합니다.
굴절되는 정도는 빛의 파장에 따라 조금씩 다릅니다. 물이나 유리 속에서는 파장이 짧은 보라와 파랑이 더 많이 꺾이고, 파장이 긴 빨강은 덜 꺾입니다. 그래서 햇빛이 프리즘을 지나면 색마다 다른 각도로 나와 빨강부터 보라까지 띠처럼 펼쳐집니다. 이렇게 굴절의 차이로 색이 나뉘는 것을 분산이라고 합니다. 하늘이 파란 이유인 산란은 빛이 사방으로 흩어지는 현상이고, 무지개를 만드는 굴절과 분산은 빛이 정해진 방향으로 꺾이는 현상이라는 점이 다릅니다.
빗방울은 작은 공 모양의 프리즘 역할을 합니다. 햇빛이 물방울에 들어가며 한 번 꺾이고, 물방울의 뒤쪽 안쪽 면에서 반사된 뒤, 다시 공기로 나오며 한 번 더 꺾입니다. 이 과정을 거친 빛은 들어온 방향과 반대쪽, 즉 해가 있는 쪽으로 되돌아 나오는데, 특정 각도 근처에 빛이 몰립니다. 그 각도가 빨강은 약 42도, 보라는 약 40도입니다. 그래서 해의 정반대 방향을 중심으로 약 40도에서 42도 떨어진 원 위의 물방울들이 각자 한 가지 색을 우리 눈에 보내고, 이것이 모여 무지개가 됩니다. 바깥쪽이 빨강, 안쪽이 보라인 이유입니다.
무지개의 중심은 언제나 내 머리 그림자가 가리키는 곳, 즉 해의 정반대 방향입니다. 그래서 무지개를 보려면 해를 등지고 서야 하고, 앞쪽 하늘에 빗방울이 떠 있어야 합니다. 소나기가 지나간 직후 해가 다시 나올 때 잘 보이는 이유입니다. 또 해가 높으면 해의 정반대 방향이 땅 밑 깊숙이 내려가 무지개 원이 지평선 아래로 숨어 버립니다. 해의 높이가 약 42도보다 낮아야 땅 위에서 무지개를 볼 수 있으므로, 한여름 한낮보다는 아침이나 늦은 오후에 잘 보입니다. 해를 등지고 분무기나 정원 호스로 물을 뿌리면 직접 만들어 볼 수도 있습니다.
때로는 첫 번째 무지개 바깥에 더 흐린 두 번째 무지개가 보입니다. 이것은 빛이 물방울 안에서 두 번 반사된 뒤 나온 것으로, 약 51도 근처에 생깁니다. 반사가 한 번 더 일어나면서 빛이 뒤집히기 때문에 색 순서가 반대가 되어 안쪽이 빨강, 바깥쪽이 보라입니다. 반사할 때마다 빛이 일부 빠져나가므로 첫 번째보다 흐립니다. 두 무지개 사이의 하늘은 주변보다 눈에 띄게 어두운데, 이 각도 범위에서는 어느 쪽 반사로도 빛이 우리 눈 쪽으로 오지 않기 때문입니다. 첫 번째 무지개 안쪽 하늘이 바깥보다 밝은 것도 같은 원리입니다.
무지개는 어느 한 곳에 놓인 물체가 아니라 특정 각도에서만 보이는 빛의 배열입니다. 옆에 선 사람은 조금 다른 물방울들이 보낸 빛을 보므로, 엄밀히 말하면 사람마다 자기만의 무지개를 봅니다. 무지개 쪽으로 걸어가면 무지개도 그만큼 물러나서 끝에 닿을 수 없습니다. 무지개가 반원으로 보이는 것은 땅이 원의 아래쪽을 가리기 때문이고, 비행기 안이나 높은 산처럼 아래쪽 시야가 트인 곳에서는 둥근 원 전체가 보이기도 합니다.
무지개를 일곱 색으로 부르는 것은 자연이 정한 것이 아니라 사람이 정한 약속에 가깝습니다. 실제 무지개는 빨강에서 보라까지 색이 끊김 없이 이어지며, 경계선이 없습니다. 일곱 색이라는 구분은 17세기에 프리즘으로 햇빛을 나눈 뉴턴이 음계에 맞춰 일곱으로 정리한 영향이 큽니다. 문화와 언어에 따라 무지개를 다섯 색이나 여섯 색으로 말하는 곳도 있습니다. 몇 가지 색으로 보이는지는 개인의 눈과 그날의 물방울 크기에 따라서도 달라집니다.
무지개는 아름다운 만큼 오해도 많이 받습니다. 아래를 알아 두면 무지개를 더 잘 찾을 수 있습니다. 무지개를 찾으려고 해 쪽을 두리번거리다 해를 직접 보는 일은 없도록 하고, 운전 중에는 무지개를 보려고 시선을 오래 빼앗기지 않도록 주의하세요.
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