공기의 온도차가 만드는 신비한 대기현상, 아지랑이와 신기루 (1편)

2017/02/27

 

“아니, 이게 뭐야? 갑자기 야자수가 나타나고 오아시스가 보이니 말이야!” 1798년 이집트에 원정한 나폴레옹의 군사들은 사막에서 신기한 현상을 만난다. 오아시스와 야자수가 가까이 있는 것을 본 것이다. 사막에서 힘들게 행군하던 프랑스군에게 오아시스는 간절한 소망이었을 것이다. 그러나 이들은 곧 야자수나 호수가 거짓이라는 것을 알게 된다. 아무리 다가가도 접근할 수가 없었기 때문이다. 이들이 처음 맞닥뜨린 기상현상은 신기루였다. 처음 보는 사람에게 신기루는 공기가 만드는 신비한 요술현상이다. 나폴레옹 군에 동행하던 수학자 가스파르 몽주(Gaspard Monge 1746-1818)가 이 현상의 원인을 최초로 밝혀냈다. 신기루의 현상이 사막에 접해 있는 더운 공기층 때문에 생긴다는 것을 말이다. 공기는 기온과 밀도 차이로 신기한 현상을 만들어 낸다. 기온차이가 크지 않을 때는 아지랑이를 만든다. 그러나 기온차이가 커지면 신기루가 된다.

아지랑이(heat shimmer)

우리 주변에서 가장 자주 볼 수 있는 대기의 굴절현상이 아지랑이다. 아지랑이는 햇볕이 강하게 내리 쬘 때 발생한다. 지면 근처에서 불꽃같이 아른거리며 위쪽으로 올라가는 공기의 흐름 현상이다. 쉽게 달구어지는 도로나 모래사장에서 볼 수 있다. 공기가 잘 데워지는 늦은 봄이나 여름철 맑은 날에 자주 나타난다.

아지랑이가 생기는 과학적 원리를 살펴보자. 맑은 날 도로는 햇빛에 의해 쉽게 가열된다. 한 낮 기온이 30도 일 때 아스팔트 도로는 50도가 넘는다, 가열된 도로에 의해 지표면의 공기는 뜨거워진다. 뜨거워진 공기는 밀도가 작아지므로 위로 올라가게 된다. 가벼워지면서 부력을 받게 되기 때문이다. 그런데 우리가 보는 공기의 온도는 다 같을 것 같지만 그렇지 않다. 공기의 온도에 따라 빛의 굴절률은 다르다. 그렇기에 지면에서 급격히 올라가는 공기덩어리 사이를 통과하는 빛은 이리저리 굴절한다. 이런 이유로 풍경이 위로 아른거리는 것처럼 보이는 것이다.

그런데 지표면의 온도는 어떤 상태의 지면이냐에 따라 차이가 난다, 예를 들어 들판 옆으로 아스팔트길이 있다면, 들판보다 아스팔트가 더 뜨겁다. 또 아스팔트 바로 위와 아스팔트보다 훨씬 높은 지상의 온도에도 차이가 있다. 공기의 밀도가 다른 층이 여럿 만들어지는 것이다. 공기가 올라 갈 때 아주 작지만 연속적으로 밀도의 차이가 나타나는 이유다. 빛이 그 층을 투과할 때 밀도 차이로 인해 각도가 다르게 굴절된다. 그러나 공기의 온도 차이는 연속적으로 일어나기 때문에 경계가 분명하지 않다. 그래서 우리는 빛이 꺾이는 것을 잘 볼 수 없다. 다만 아른아른 공기가 흔들리는 것처럼 보이는 것이다. 공기의 온도 차이가 많지 크지 않기에 물체가 가물거리면서 보이는 정도로 그친다. 이런 현상은 초여름 야외에서나 겨울의 난로 앞에서도 볼 수 있다. 만일 이보다 공기온도의 차이가 커지면 신기루가 만들어진다. 밀도가 높고 차가운 공기에서는 빛의 속도가 줄어들어 빛이 차가운 쪽으로 휘어진다. 반대로 밀도가 작고 따뜻한 공기에서는 빛의 속도가 커져 따뜻한 쪽으로 휘어진다. 물체의 실제 위치와 눈으로 보이는 위치가 다르게 보이는 이유다.

신기루(mirage , 蜃氣樓)

아지랑이에서 공기의 온도차이가 커지면 신기루가 만들어진다. 신기루는 물체가 실제의 위치가 아닌 위치에서 보이는 현상이다, 공기의 기온차이가 크고 불안정한 대기층에서 빛이 굴절하면서 만들어진다. 가장 잘 만들어지는 장소가 사막이나 극지방의 바다이다. 이곳 들은 지표면과 대기의 온도차가 매우 큰 곳이기 때문이다. 사막과 극지방은 공기 상태가 정 반대이다. 사막은 지표면의 기온이 높지만 극지방은 지표면의 기온이 매우 낮다. 따라서 두 지역의 신기루는 다르게 생긴다. 신기루는 더운 공기와 찬 공기에 의해 만들어지는 두 가지 경우가 있다.

더운 공기에 의해 만들어지는 신기루

더운 공기에 의해 만들어지는 신기루를 ‘아래신기루’(inferior mirage)라고 한다. 여름철 오후에는 지면 온도가 몹시 높아진다. 가열된 아스팔트 도로를 달릴 때 전방의 노면에 물웅덩이가 보이면서 사람이나 가로수가 어른거리는 것 같이 보일 때가 있다. 아스팔트 위의 공기온도가 크게 올라가 있는 상태다. 그러나 접근해감에 따라 곧 사라지고 얼마쯤 전방에 물웅덩이가 또 나타난다. 이러한 현상은 신기루의 일종이다. 지표 가까운 기층의 기온 변화가 크기 때문에 나타나는 현상이다.

아래 신기루는 여름날 도로 또는 사막 지면에서 공기가 주변 공기보다 20°C 이상의 온도 차를 낼 때 발생하는 신기루를 말한다. 그림을 보도록 하자. 사막에서는 지표면 공기의 온도가 5미터 높이에서보다 아주 높아진다. 야자수로부터 나오는 빛은 처음에는 찬 공기 지역인 아래쪽으로 휜다. 그런데 아래쪽으로는 뜨거운 공기가 있다. 그러면 이 빛은 다시 차가운 쪽인 위쪽으로 휘면서 우리 눈으로 들어온다. 사람은 빛이 아래쪽에서 온 것처럼 느끼기 때문에 야자수로부터 온 빛이 그림처럼 사선의 경로를 따라 이동한 것처럼 보인다. 이럴 경우 실제 야자수는 휘면서 위아래가 뒤집혀 우리 눈에 들어오게 된다. 이런 이미지를 우리 두뇌는 지평선상의 멀리 존재하는 야자수로 착각한다. 빛이 굴절했지만, 실제 영상이며 환상이 아니기 때문에 하늘에서 반사된 흔들리는 상이 실제로 존재한다는 느낌을 갖는 것이다.

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