▶ 하늘색에 대한 궁금증
한 여름 어느 청명한 밤, 우리는 잠 못 이루는 밤을 달래려 야외로 나온다. 깜깜한 밤하늘에서 자신의 별자리라도 찾아볼라치면, 하늘이 보여주는 아름다움에 빠져들게 된다. 달과 행성, 우주에 대한 관측이 아니라도 하늘을 가르며 흐르는 은하수는 아름답다. 밤뿐만 아니라 낮 동안의 하늘에도 관측할 만한 현상들이 수없이 많은데, 다양한 형태와 색깔을 띤 구름, 무지개, 그리고 붉게 물드는 석양... 가만히 머무르지 않고 끊임없이 변화하는 모습을 보이고 있지만, 하늘이라는 무대에 항상 변하지 않고 남아 있는 것은 바로 푸른 하늘이다.
인류가 하늘색이 푸르다는 것을 이해하기 시작한 것에 관한 이야기는 고대 그리스에서부터 시작된다. 기원전 4세기에 철학자 아리스토텔레스는 색에 대한 체계적 공식을 최초로 개발했고, 그것을 이용해 무지개와 일몰에서 생기는 색의 변화를 설명했다. 테오프라스토스는 최초로 색에 대해 과학적인 설명을 하였다. 그는 4원소들과 관계 지어 색을 배열하였다.『색에 관하여』라는 책에서 밀도가 높은 공기는 희고 그것이 아주 깜깜한 어두움 또는 짙은 검정 바탕을 투과하면 푸르게 보인다고 설명하고 있다.
푸른색에 대한 설명을 시도했던 이런 초창기 그리스인들은 오늘날에도 계속 의문시 되고 있는 푸른색의 근원에 관한 관심을 야기했다. 푸른색은 암흑의 공간 앞에 놓여 있는 대기를 이루는 공기를 햇빛이 비추기 때문에 생긴다고 생각하였다. 즉, 하늘의 푸른색은 물질의 색이 아니라 대기권의 공간적 깊이에 관계되어 나타나는 현상으로 보았다.

▶ 화가들의 푸른색
중세의 수도사인 리스토로는 자연과 화가의 그림 사이에서 하늘색을 설명한다. 유채화를 그리는 화가들은 밝은 색과 어두운 색을 혼합해서 파란색을 얻었는데, 두 가지 상반되는 색은 빛과 어두움이고, 이것은 공기층의 깊이 때문이라고 설명한다.
레오나르도도 어떻게 푸른 공기가 자연에 나타나는 색에 영향을 미칠까에 대해 궁금해 한다. 공기는 마치 푸른색 필터와 같은 역할을 해서 물체가 멀리 있을수록 푸른색 얼룩이 번지듯이 물체에 색을 나타나게 한다고 한다. 이런 주장은 하나의 규칙으로 설정되어, 공기 원근법이라는 채색기법을 만들어 내었다. 하늘색이 푸른 것이 증발된 습기 알갱이들이 햇볕에 의해 빛을 받은 것이 원인이라고 결론을 내리면서 레오나르도는 다른 매질에서도 마찬가지로 색깔을 감지한다.

▶ 뉴턴의 해석
많은 것에 대해 아리스토텔레스 식 자연 철학 전체를 의심해야 된다는 목소리가 높아지면서, 17세기 초에는 광학 분야에서 색과 빛에 대한 새로운 이론들이 등장하였다. 뉴턴은 중력의 법칙과 미적분법을 발견했을 뿐 아니라 빛과 색의 새로운 성질을 감지하였다. 그의 이론에 따르면 하늘이 푸른 이유는 물방울 같이 투명한 물질로 이루어진 얇은 막에서 빛이 반사하기 때문이라고 한다.

▶ 괴테의 근원 현상
영국과 프랑스에서는 하늘이 푸른 이유를 빛의 굴절과 반사에 의해 설명하려는 뉴턴의 생각을 적극적으로 받아들이는 반면, 독일에서는 뉴턴의 생각에 대한 반발이 일어났다. 대표적인 예로『파우스트』와 『젊은 베르테르의 슬픔』으로 더 많이 알고 있는 괴테는 생리학적 색감에 대한 연구를 하였는데, 그 예가 바로 푸른 그림자이다. 그는 실험을 통해 하늘의 푸른빛이 비쳐지지 않는 상황에서 푸른색 그림자를 만들어 내려 하였다. 또한 인간 능력 가운데 최상의 예는 직접 자연을 감지할 수 있는 능력으로 탁한 매체에서 있을 수 있는 근원 현상(괴테는 푸른 하늘을 원초적인 현상 또는 근원 현상으로 간주하였다)의 작용으로 푸른 하늘을 볼 수 있다고 설명한다.
한편, 카멜레온의 색 변화에 대한 연구를 하면서 하늘의 푸른색에 대한 이유를 설명하려는 사람이 있었는데, 그가 바로 독일의 생리학자 브뤼케이다. 그는 하늘색이나 카멜레온 색의 변화가 모두 탁한 매체의 광학적 효과라고 설명한다. 괴테가 탁한 매체의 광학적 효과를 그 현상의 원인이 더 이상 분석될 수 없는 근원 현상으로 간주한 데 비해, 브뤼케는 그것을 빛의 반사나 산란 때문이라고 하여 근원 현상 이면의 기작원리를 찾으려고 했다.

▶ 틴들의 편광
브뤼케가 탁한 매질에 대한 연구에서 하늘의 색을 실험실에서 만들어 낼 수 있다고 주장했지만, 실험실 시험관 안에서 하늘의 푸른빛을 사실로 만들기 위해서 편광을 측정하여야 했다. 하늘색과 편광의 관계를 밝혀내기 위해 아일랜드인 틴들은 기체에 생기는 광선의 화학적 효과를 조사하기 시작했다. 그는 몇몇 유기 물질에 강한 빛을 쪼일 때 푸른빛이 발생하는 것에 주목했다. 부틸아질산염에 약간의 염화수소 증기를 혼합한 기체의 경우 이런 현상이 더욱 분명하게 나타났다. 처음에 기볃혼합체는 보이지 않았으나 시간이 가면서 구름이 응축되었는데, 이 구름들이 푸른빛을 발산시켰다.
푸른색과 관계되는 요소를 찾아내기 위한 실험은 계속되어, 기체의 종류도 굴절률도 아닌 미세한 입자 알갱이가 광학적 효과를 나타내는 것을 발견하였다. 즉, 공기 중에 떠 있는 작은 입자 알갱이들은 광원과 직각 방향에서 편광할 수 있고 측면으로부터 관측하면 푸른색을 나타내는 원인이 된다. 틴들은 기하광학적 범위 안에서 브루스터의 법칙(빛은 반사에 의하여 일부 또는 전부가 편광되는데, 반사된 빛과 굴절된 빛이 서로 수직이면 반사된 빛은 완전히 편광된다는 법칙)을 바탕으로 편광을 설명하려고 했고, 빛의 파동 성질을 이용해서 색깔을 설명하려고 노력했다. 그가 관측한 색과 편광현상은 틴들효과로 여전히 오늘날에도 알려져 있다.

▶ 레일리와 푸른 하늘
틴들 실험은 존 스트러트(3대 레일리 경)에게는 놀라운 일이었으나 하늘빛의 편광을 빛의 파동성으로만 설명하려 하였다. 심사숙고한 끝에 존 스트러트는 푸른 하늘과 틴들의 실험 결과를 설명할 수 있는 하나의 이론을 발견하는 데 성공했다. 그것은 작은 입자 알갱이들에 의한 빛의 산란이라는 것이었다. 즉, 작은 입자 알갱이가 어떻게 입사 빛파에 의해 진동하기 시작하고 받은 에너지를 다시 모든 방향으로 재방출할 수 있는가라는 것이다. 이것은 빛이 횡파라는 것을 전제하여 편광현상의 관측으로 잘 설명되었던 이론이다. 존 스트러트는 빛의 산란의 강도가 파장의 4제곱에 반비례함을 수학적으로 증명하여, 하늘이 푸른 이유를 성공적으로 설명하였다.

▶ 오존이 만들어 내는 푸른색
프랑스 화학자 샤피는 오존의 색이 푸르다는 것을 처음으로 알아낸 오존 연구자이다. 그는 노랑, 주황, 빨강 광선에 대한 가스의 흡수로 인해 푸른색이 생긴다고 했다. 이런 양상은 오늘날에 샤피 흡수 밴드라고 부른다. 샤피가 오존이 하늘색과 관련되어 있다고 제시했을 당시에는 레일리 경의 빛의 산란 이론에 열광하고 있었기 때문에 오존과 푸른 하늘색에 관한 개념은 빛을 보지 못했다. 1950년 초기에 헐버트는 박명 하늘을 연구하다 미해군연구소에 연구자들이 모아온 두 가지 관측 자료를 비교하는 동안 오존 문제를 우연히 발견하게 되었다. 일몰현상에 내재된 기본 기하학을 보면 빗겨 입사한 빛이 오존층을 길게 통과하고 이것이 샤피 밴드에서 선택적인 색의 흡수 효과를 강화하여 해가 지는 하늘에서 박명 하늘의 밝기를 줄이고 색깔을 짧은 파장 쪽의 색으로 천이시킨다. 그래서 오존은 온 하늘을 덮고 있는 색 필터 같은 기능을 하여 해가 지고 난 후 오랫동안 우리 머리 위의 하늘을 파랗게 보이게 하는 것이다.

우리 태양계에 있는 다른 행성들에 생명이 있을 것이라는 것은 배제할 수 없지만 지구만이 오랜 시간에 걸쳐 지속적인 진화를 경험할 수 있었던 유일한 장소이다. 생명이 거주하는 곳으로 유일할 뿐만 아니라 지구의 겉보기 색깔은 매우 특별하다. 종종 지구를 푸른 행성이라고도 하는데 사실 그것은 맞지 않다. 약간 초록색 기가 있지만 천왕성과 명왕성도 마찬가지로 푸르게 보인다. 그러나 이들 두 행성과 지구 사이에는 결정적인 차이가 있다. 천왕성과 해왕성은 가벼운 가스들로 만들어진 밀도가 높은 대기를 가지고 있는 거대한 가스 공이다. 푸른 것은 빛의 산란에 의한 것이 아니고 메탄 가스에 의해 태양빛의 주황색과 빨간색이 흡수되어서 파랗게 대기가 보이는 것이다. 지구는 태양계에서 유일하게 레일리 산란에 의한 ‘레일리-블루(Rayleigh-blue)’ 행성이다.

우주론적 견해에서 지구에서 만끽하는 푸른 하늘은 그 말이 내포한 모든 의미에서 아주 특별한 현상이다. 어떻게 하늘이 푸르게 되었나에 대한 이야기는 우리 행성의 대기가 어떻게 변환되었나에 대한 이야기이다. 실로 빛, 색, 시각, 그리고 공기에 대한 이해가 빠르게 진전하는 만큼 지구 대기는 빨리 변하게 되어 있다. 우리는 지금 우리 행성의 역사와 인류의 역사 가운데에 위치해 있다. 우리 후손들이 살 세상을 결정하는 중요한 과정들 사이에서 지구 온난화와 오존의 해리는 지구 대기를 계속 바꾸고 있다. 푸른 하늘을 자세히 관찰하는 것이 아주 연약하고 순응성이 있는 영역으로서의 대기를 이해하려고 하는 첫 걸음이 될 수도 있을지 모른다. 우리 모두를 위한 최상의 행성인 지구의 미래를 원한다면 지구 대기를 어떻게 보살펴야 할지 고민해야할 것이다.

이 책이 여러분들로 하여금 하늘을 새로운 안목으로 그리고 새로운 경이로움으로 바라 볼 수 있게 할 것이다.