이번 겨울은 너무 춥다! 그런데 눈(snow)은 왜 하얀색일까?

눈은 왜 하얀색일까.

 추운 겨울날에 흰 눈이 내리는 것은 구름 속 수증기가 얼어 만들어진 얼음결정이 지상으로 떨어지는 것입니다. 얼음결정은 조건에 따라 복잡하게 성장하여 가지를 많이 갖는 형태이며, 여러 가지 모양을 가진 얼음결정들이 모여 눈송이가 되는데, 복잡한 구조를 가진 얼음결정들은 모든 색의 빛을 반사합니다.

빛은 색을 모두 혼합하면 흰색을 띄는 특성을 갖고 있습니다. 따라서 얼음결정들이 모든 색의 빛을 반사하고, 반사된 모든 색이 합쳐져 눈의 색이 흰색으로 보이는 것이라고 설명할 수 있습니다. 이에 눈을 형성하고 있는 얼음결정 하나하나를 확대해서 보면 물과 마찬가지로 투명한 것을 확인할 수 있습니다. 그렇다면 얼음결정 하나하나는 투명한데 일상에서 볼 수 있는 얼음은 왜 투명한 것과 불투명한 것으로 나뉠까요? 그 이유는 공기층 때문입니다. 물이 얼면서 빠져나가지 못한 공기가 남아 공기층을 형성하게 되는데요. 얼음 속 공기층 표면에서 눈의 얼음결정에서와 같은 빛의 난반사가 일어나 흰색으로 보이는 것입니다. 따라서 얼음을 투명하게 얼리려면 공기가 충분히 빠질 수 있도록 천천히 얼리거나 끓인 물을 얼리면 됩니다.

 

  빛의 성질-난반사

 눈이 흰색인 이유를 알기 위해서는 '난반사'에 대해 이해가 필요합니다. 겨울길이 매끄러운 평면에 입사한 빛은 입사각과 같은 각도로 반사되지만, 대개의 경우 아무리 매끄러워 보이는 평면이라고 빛의 파장과 같은 척도로 보면 결코 완전한 평면이 아니며, 여러 방향으로 향한 오돌토돌한 작은 면의 집합체입니다. 이 때문에 한 방향에서 입사한 빛이라도 여러 방향으로 굴절되는데, 이 때문에 투명한 유리가 하얗게 보입니다. 얼음에 금이 가면 투명했던 유리가 하얘지는 것을 보셨을 겁니다. 그것은 금이 가면서 생긴 수많은 균열을 통해 빛이 굴절과 반사를 반복하고 그 결과로 하얗게 보이는 것입니다. 이때, 많은 색들 중 하얀색으로 보이는 이유는 자연광이 하얀색이기 때문입니다. 만약 푸른 불빛 아래에서는 푸른색으로 보이게 되겠죠? 눈 역시 마찬가지입니다. 눈의 결정은 아주 작은 얼음 조각입니다. 그런데 자세히 보면 눈송이는 아주 미세한 정육각형 무늬를 띄고 있습니다. 그렇기 때문에 위의 얼음처럼 빛이 난반사와 굴절을 거쳐 하얗게 보이는 것입니다.

 

  빛과 색의 관계

 빛은 오랫동안 과학자들의 연구 대상이었습니다. 그만큼 빛에 대한 논의는 여러 방향으로 이루어졌고, 그 중 하나가 빛과 색의 관계에 대한 것이었습니다. 17세기 전까지 빛과 색은 완전히 별개의 현상으로 여겼다가 근대에 와서 빛과 색이 같은 현상이라는 사실을 밝혀냈습니다. 빛에 대한 본성이 입자인지 파동인지에 관한 논의는 20세기에 이르기까지 계속 이어졌고, 결국 20세기 초 '양자역학'이라는 학문이 수립되면서 끝이 났습니다.

 

  결국, 빛은 파동이면서 입자다.

 빛은 파동의 성질과 입자의 성질을 모두 가지고 있습니다. 과학자들은 빛에 대한 성질을 알기 위해 많은 실험과 증명을 해왔지만 결국 두 가지를 받아들입니다. 17세기 뉴턴의 입자설과 하위헌스의 파동설을 시작으로 19세기 토마스 영과 맥스웰에 의해 파동설이 지배적이었다가 20세기 아인슈타인에 의해 다시 입자설로 바뀌지만 결론을 내지 못했습니다. 20세기 초 과학자들은 빛만이 파동과 입자의 이중성을 가진다는 것을 알게 되었습니다. 원자를 구성하는 전자 역시 빛처럼 이중성을 가지며, 전자도 입자의 성질과 파동의 성질을 모두 가지고 있다는 생각을 기반으로 '양자역학'이 시작되었고, 빛에 대한 오랜 기간 동안 과학자들의 생각이 결국 입자와 파동을 모두 받아들이면서 서로 다른 여러 생각들이 상충하고 보충되면서 발전해 나아갔고, 어느 한쪽이 틀리지 않았다는 결론이 났습니다. 이는 새로운 학문을 여는 지평으로 나아가는 계기가 된 것입니다.

 

   눈은 흰눈만 있을까.

 앞서 빛의 성질을 얘기했던 것처럼 자연광이 아닌 다른 색이 반사되었을때에 눈은 어떤 색일까.

눈은 흰색만 있는 것이 아닙니다. 어느 지역의 경우에는 오염물질이 섞여서 검은 눈이 내린 적도 있고, 철 성분이 섞여 빨간 눈이 내린 곳도 있다고 합니다.