무지개가 뜨는 이유

 

무지개는 햇빛이 빗방울을 통과하면서 굴절(속도 변화로 꺾임)되고, 내부에서 한 번(기본 무지개) 또는 두 번(이중 무지개) 반사된 뒤 다시 굴절되어 색이 분리되어 보이는 현상입니다. 이 과정에서 파장(색)마다 굴절률이 달라 빛이 여러 색으로 퍼집니다.

 

한 방울 속에서 무슨 일이 일어나는가

1. 입사와 첫 번째 굴절: 햇빛(흰빛)이 공기에서 물로 들어갈 때 속도가 느려지면서 방향이 꺾입니다(굴절). 이때 파장이 짧은 쪽(보라·파랑)이 더 많이 꺾이고, 긴 쪽(빨강)은 덜 꺾여 색들이 분리되기 시작합니다. 
2. 내부 반사: 분리된 빛 일부가 물방울 뒤쪽 면에서 내부 반사됩니다. (기본 무지개는 내부 반사 1회) 
3. 출사와 두 번째 굴절: 반사된 빛이 다시 물에서 공기로 나올 때 또 굴절되어 관찰자 쪽으로 나오며 각 색이 특정 각도로 가장 강하게 보입니다. 이로 인해 관찰자가 보는 하늘 한 점(반대편 태양을 향한 반대 방향의 원점, “반태양점/antisolar point”)을 중심으로 원호 형태의 색띠가 보입니다.

주요 수치와 현상

• 주각(Primary): 기본(주) 무지개의 밝은 중심각은 약 42°(관찰자-반태양점 사이 각도) 부근에서 가장 강하게 보입니다.
• 이중 무지개(Secondary): 내부에서 두 번 반사된 빛이 만든 보조 무지개는 위쪽에 나타나며 색 배열이 반대(빨강 바깥→보라 안쪽)이고, 각도는 약 51°입니다. 
• Alexander의 띠(어두운 영역): 주·보조 무지개 사이가 상대적으로 어두운데, 이는 두 무지개로부터 오는 빛이 그 사이 영역으로 거의 오지 않기 때문입니다(이 부분을 Alexander’s dark band라 부릅니다).

 

• 초무지개(supernumerary rainbows): 무지개의 안쪽(또는 외부)에 얇고 연한 색띠들이 보일 때가 있는데, 이는 큰 물방울과 파동(간섭) 효과 때문에 생기는 간섭무늬입니다. (파동성·간섭 현상 설명 필요)
• 완전한 원: 높은 곳(비행기 등)에선 무지개가 완전한 원으로 보일 수 있습니다. 지상에서는 지면 때문에 보통 반원 형태로 보입니다.

 

• 태양은 낮게(가능하면 지평선 가까이) 있어야 하고, 관찰자는 태양과 반대쪽을 바라봐야 합니다.
• 빗방울(혹은 안개·분무)이 태양 반대쪽 하늘에 있어야 합니다.
• 맑은 햇빛과 적당한 빗방울 크기 분포가 있을수록 뚜렷한 무지개가 나타납니다.