빛이 보여 주는 마술, 신기루

빛이 보여 주는

마술, 신기루

여름철 무더운 날 자동차를 타면 아스팔트 위에 물웅덩이가 있는 것처럼 보이는 경우를 본 적이 있을 것입니다. 그러나 그 물웅덩이는 가까이 가면 사라져버립니다. 이러한 현상은 신기루 현상입니다. 그리고 신기루는 사막 지대에서 목마른 사람이 오아시스 모양의 신기루에 속아 헤매는 이야기에 자주 인용되는 소재이기도 합니다.

아스팔트가 여름에 햇볕을 받아 뜨거워지면 그 주위 공기 역시 위의 공기에 비해 뜨거워집니다. 뜨거운 공기는 차가운 공기에 비해 밀도가 낮은데 이러한 밀도 차이에 의해 빛이 굴절하게 됩니다. 따라서 지면에 있는 공기로 빛이 들어올수록 그 빛은 위쪽으로 휘게 되어 반대편 물체가 지면에 있는 것처럼 보이게 되는 것입니다. 신기루란 이렇게 밀도가 서로 다른 공기층에서 빛이 굴절함으로써 멀리 있는 물체가 거짓으로 보이는 현상을 말합니다.

▲ 고비 사막의 신기루 현상(출처: 에듀넷)

신기루 현상이 일어나는 원리에 대해 좀 더 자세히 알아볼까요? 신기루는 빛의 굴절 때문에 일어납니다. 빛이 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때 두 물질의 경계면에서 빛의 진행 방향이 꺾이는 현상을 빛의 굴절이라 합니다. 빛의 굴절 현상이 일어나는 이유는 물질에 따라 빛의 속도가 다르기 때문입니다.

이러한 빛의 굴절은 다른 물질 사이의 경계면에서만 일어나는 것이 아니라 같은 매질, 예를 들면 공기를 지날 때 특성이 다른 두 공기의 경계면에서도 일어날 수 있습니다. 따뜻한 공기는 차가운 공기에 비해 밀도가 낮은데, 이는 따뜻한 공기에서 분자들의 움직임이 활발하기 때문입니다. 또한, 빛은 차가운 공기보다 밀도가 낮은 따뜻한 공기에서 속도가 더 빠릅니다. 따라서 온도에 따라 밀도가 다른 두 공기의 경계면에서도 빛의 굴절이 일어나게 되는 것입니다. 찬 공기에서 더운 공기 쪽으로 이동할 때 두 공기의 경계면에 가까운 쪽으로 굴절이 일어나고, 더운 공기에서 찬 공기 쪽으로 빛이 진행할 때에는 반대로 경계면에서 먼 쪽으로 굴절이 일어납니다. 여름철의 포장도로나 사막 위의 공기가 강렬한 햇볕으로 뜨겁게 가열되고, 고도가 높아짐에 따라 급속히 냉각되므로 공기의 밀도와 굴절률이 커집니다. 이에 따라 실제로는 멀리 있는 물이나 나무와 같은 물체에서 출발한 빛이 굴절을 통해 우리 눈에 도달하게 되고, 우리는 실제보다 가까운 것으로 인식하게 되는 것입니다. 이처럼 빛의 굴절 현상에 의하여 물체가 실제보다 떠서 보이거나 가깝게 보이는 현상을 모두 통틀어서 신기루라고 하는 것이랍니다.

▲ 신기루의 원리(출처: 에듀넷)

[자료출처: 에듀넷]