무지개는 왜 항상 같은 색 순서로 나타날까?

비가 그친 뒤 햇빛이 비치는 하늘을 바라보면 아름다운 무지개가 나타날 때가 있습니다.

빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색으로 이어지는 무지개는 자연이 만들어내는 가장 신기한 광학 현상 중 하나입니다.

그런데 무지개를 자세히 살펴보면 한 가지 특징이 있습니다.

무지개의 색깔은 왜 언제나 일정한 순서로 나타날까요?

빨간색이 아래쪽에 있고 보라색이 위쪽에 있는 무지개는 왜 일반적으로 볼 수 없는 걸까요?

이 질문의 답은 햇빛이 물방울을 통과하는 과정에서 발생하는 빛의 굴절과 분산에 있습니다.

햇빛은 원래 여러 색의 빛이 섞여 있다

우리가 보는 햇빛은 대체로 흰색에 가까워 보입니다.

하지만 햇빛에는 눈으로 볼 수 있는 다양한 파장의 빛이 함께 포함되어 있습니다.

사람이 볼 수 있는 빛을 가시광선이라고 부르며, 가시광선은 파장에 따라 서로 다른 색으로 인식됩니다.

대표적으로 빨간색 빛은 파장이 긴 편이고, 보라색 빛은 파장이 짧은 편입니다.

무지개에서 흔히 구분하는 색을 순서대로 정리하면 다음과 같습니다.

• 빨강
• 주황
• 노랑
• 초록
• 파랑
• 남색
• 보라

다만 실제 무지개는 일곱 가지 색이 뚜렷한 경계로 나뉜 것이 아닙니다. 색이 연속적으로 변하는 스펙트럼이며, 일곱 색 구분은 이를 이해하기 쉽게 나눈 전통적인 방식입니다.

그렇다면 하나로 섞여 있던 햇빛이 어떻게 여러 색으로 나뉘는 걸까요?

물방울은 작은 프리즘처럼 작용한다

비가 내린 뒤 공기 중에는 수많은 작은 물방울이 떠 있을 수 있습니다.

햇빛이 이 물방울을 만나면 빛의 진행 방향이 달라집니다.

빛이 공기에서 물로 들어갈 때 진행 방향이 꺾이는 현상을 **굴절(refraction)**이라고 합니다.

그런데 모든 색의 빛이 정확히 같은 정도로 꺾이는 것은 아닙니다.

물의 굴절률은 빛의 파장에 따라 조금씩 달라집니다.

일반적으로 가시광선 영역에서 파장이 짧은 보라색 빛은 빨간색 빛보다 더 크게 굴절됩니다.

이렇게 여러 파장의 빛이 서로 다른 방향으로 나뉘는 현상을 **빛의 분산(dispersion)**이라고 합니다.

유리 프리즘에 흰빛을 통과시켰을 때 여러 색의 빛이 펼쳐지는 것도 같은 원리입니다.

하늘에 떠 있는 물방울 역시 작은 프리즘과 비슷한 역할을 하는 것입니다.

무지개는 물방울 안에서 세 가지 과정을 거쳐 만들어진다

무지개가 만들어지는 과정을 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.

햇빛이 물방울에 들어가면 다음과 같은 현상이 발생합니다.

첫 번째, 굴절

햇빛이 공기에서 물방울 내부로 들어가면서 진행 방향이 꺾입니다.

이때 파장에 따라 굴절되는 정도가 달라지면서 색이 분리되기 시작합니다.

두 번째, 내부 반사

물방울 안으로 들어간 빛의 일부는 물방울 뒤쪽 경계면에서 반사됩니다.

우리가 흔히 보는 1차 무지개는 주로 물방울 내부에서 한 번 반사된 빛으로 만들어집니다.

세 번째, 다시 굴절

반사된 빛이 물방울 밖으로 나올 때 물에서 공기로 이동하면서 다시 굴절됩니다.

이 과정에서 색깔별 진행 방향의 차이가 나타납니다.

즉, 무지개는 단순히 햇빛이 물방울에 비치기만 해서 생기는 것이 아닙니다.

굴절 → 내부 반사 → 굴절

이라는 과정이 함께 작용한 결과입니다.

무지개에서 빨간색이 바깥쪽에 나타나는 이유

일반적인 1차 무지개에서는 빨간색이 무지개 곡선의 바깥쪽에, 보라색이 안쪽에 나타납니다.

그 이유는 물방울을 거쳐 관찰자의 눈으로 들어오는 빛의 방향이 색깔마다 다르기 때문입니다.

1차 무지개를 만드는 빛은 태양의 반대 방향을 기준으로 대략 다음과 같은 각도에서 관찰됩니다.

색깔	관찰 각도
빨간색	약 42도
보라색	약 40도

이 각도는 태양의 반대쪽에 있는 기준 방향, 즉 반태양점을 중심으로 측정한 값입니다.

빨간색 빛은 보라색보다 더 큰 각도에서 관찰되기 때문에 무지개 바깥쪽에 나타납니다.

반면 보라색 빛은 더 작은 각도에서 관찰되어 안쪽에 나타납니다.

따라서 우리가 보는 일반적인 무지개의 색 순서는 우연히 정해진 것이 아닙니다.

빛의 파장에 따른 굴절률 차이와 물방울 내부에서 빛이 이동하는 경로에 의해 결정되는 것입니다.

무지개는 왜 반원 모양으로 보일까?

무지개를 보면 여러 색의 띠가 둥근 곡선을 이루고 있습니다.

이것도 빛이 관찰자의 눈으로 들어오는 방향과 관련이 있습니다.

무지개를 만드는 빛은 태양의 반대 방향을 중심으로 특정한 각도를 이루며 눈에 들어옵니다.

그 조건을 만족하는 방향들이 모이면 원형의 구조가 만들어집니다.

그런데 지상에서 무지개를 볼 때는 지평선이나 주변 지형이 원의 아래쪽을 가리는 경우가 많습니다.

그래서 일반적으로 반원 또는 활 모양의 무지개를 보게 됩니다.

높은 곳에서 아래쪽에 있는 물방울을 내려다보는 등 관찰 조건이 적절하면 원형에 가까운 무지개를 볼 수도 있습니다.

즉, 무지개는 원래 원형의 기하학적 구조를 가지지만 지상에서는 그 일부만 보이는 경우가 많은 것입니다.

무지개를 보려면 왜 태양을 등져야 할까?

무지개를 관찰하려면 태양과 물방울, 관찰자의 위치가 중요합니다.

일반적인 무지개는 태양이 있는 방향의 반대쪽에서 나타납니다.

태양을 등지고 비가 내리는 방향을 바라보면 무지개를 발견하기 쉬운 이유입니다.

또 태양의 높이도 영향을 줍니다.

태양이 낮게 떠 있을 때는 무지개가 하늘 높이 나타날 수 있지만, 태양이 높아지면 무지개의 중심도 지평선 아래로 내려갑니다.

특히 평평한 지면에서 관찰하는 경우 태양의 고도가 약 42도를 넘으면 일반적인 1차 무지개를 보기 어려워집니다.

그래서 무지개는 태양이 비교적 낮게 떠 있는 아침이나 늦은 오후에 관찰하기 좋은 경우가 많습니다.

쌍무지개는 왜 색깔 순서가 반대일까?

가끔 하늘에 무지개가 두 개 나타나는 모습을 볼 수 있습니다.

이를 쌍무지개라고 부릅니다.

쌍무지개에서는 안쪽의 밝은 무지개와 바깥쪽의 상대적으로 희미한 무지개가 함께 나타납니다.

여기서 흥미로운 점은 두 번째 무지개의 색 순서가 첫 번째 무지개와 반대라는 사실입니다.

일반적인 1차 무지개에서는 빨간색이 바깥쪽, 보라색이 안쪽에 나타납니다.

하지만 2차 무지개에서는 빨간색이 안쪽, 보라색이 바깥쪽에 나타납니다.

왜 이런 차이가 생길까요?

핵심은 물방울 내부에서 빛이 반사되는 횟수입니다.

1차 무지개는 주로 물방울 내부에서 한 번 반사된 빛으로 만들어집니다.

반면 2차 무지개는 주로 두 번 반사된 빛으로 만들어집니다.

이렇게 빛의 경로가 달라지면서 관찰되는 색의 순서도 반대로 나타납니다.

또 2차 무지개는 빛의 일부가 여러 경로로 빠져나가기 때문에 1차 무지개보다 희미하게 보이는 경우가 많습니다.

따라서 무지개 색 순서가 항상 같다는 설명은 같은 종류의 무지개를 기준으로 할 때 정확합니다. 2차 무지개에서는 순서가 반대가 됩니다.

무지개는 실제로 하늘의 특정 위치에 존재할까?

무지개는 구름이나 건물처럼 하늘의 특정 위치에 고정되어 있는 물체가 아닙니다.

관찰자의 눈과 태양, 물방울의 상대적인 위치에 따라 나타나는 광학 현상입니다.

따라서 두 사람이 서로 다른 위치에서 무지개를 바라보면 각자의 눈에 들어오는 빛을 만들어내는 물방울도 달라집니다.

같은 무지개를 바라보는 것처럼 보여도 엄밀하게는 서로 다른 물방울에서 나온 빛을 보고 있는 셈입니다.

이 때문에 무지개를 향해 걸어가더라도 무지개의 끝에 실제로 도착할 수는 없습니다.

무지개는 고정된 물체가 아니라 관찰 조건에 따라 보이는 빛의 현상이기 때문입니다.

무지개가 만들어지는 원리를 정리하면

무지개가 생기는 과정을 순서대로 정리하면 다음과 같습니다.

햇빛에 여러 파장의 가시광선이 포함됨

↓

햇빛이 공기 중 물방울에 들어감

↓

빛이 굴절되며 파장에 따라 서로 다르게 꺾임

↓

물방울 내부에서 빛의 일부가 반사됨

↓

빛이 물방울 밖으로 나오면서 다시 굴절됨

↓

색깔마다 서로 다른 방향으로 빛이 진행함

↓

특정 각도의 빛이 관찰자의 눈에 들어옴

↓

빨간색부터 보라색까지 일정한 순서의 무지개가 보임

이처럼 무지개의 색깔과 모양은 모두 빛의 물리적 성질과 관련되어 있습니다.

마무리

무지개가 일정한 색 순서로 나타나는 이유는 햇빛에 포함된 여러 파장의 빛이 물방울을 통과하면서 서로 다른 방향으로 굴절되기 때문입니다.

빛은 물방울에 들어갈 때 굴절되고 내부에서 반사된 뒤 밖으로 나올 때 다시 굴절됩니다.

이 과정에서 파장에 따른 굴절률 차이가 작용하면서 색깔별로 관찰되는 각도가 달라집니다.

그 결과 일반적인 1차 무지개에서는 빨간색이 바깥쪽에, 보라색이 안쪽에 나타납니다.

반면 빛이 물방울 내부에서 두 번 반사되어 만들어지는 2차 무지개에서는 색깔의 순서가 반대로 나타납니다.

결국 무지개는 단순히 비가 그친 뒤 나타나는 아름다운 풍경이 아닙니다.

빛의 굴절과 분산, 반사 그리고 관찰자의 위치가 함께 만들어내는 자연의 광학 현상입니다.

다음에 무지개를 발견한다면 색깔의 순서뿐 아니라 태양의 위치와 무지개의 모양도 함께 살펴보세요. 평소와는 조금 다른 모습으로 하늘을 바라보게 될 것입니다.

참고자료

• Encyclopaedia Britannica — Rainbow
  https://www.britannica.com/science/rainbow-meteorology
• NOAA National Weather Service — JetStream: Rainbows
  https://www.weather.gov/jetstream/
• Encyclopaedia Britannica — Dispersion
  https://www.britannica.com/science/dispersion-optics
• HyperPhysics, Georgia State University — Rainbow
  http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/rbowpri.html