이러한 구름의 색은 빛의 산란과 관계가 있다. 산란이란 빛이 표적이 되는 입자에 부딪혀서 진행 방향을 바꾸는 것이다. 빛의 산란은 부딪히는 입자의 크기에따라 특성이 달라진다. 빛의 파장에 비해 매우 큰 반지름인 약0.1mm 이상의 빗방울에 부딪히면 빚은 빗방울의 표면에서 반사되거나 빛을 속으로 들어가서 굴절 반사되어 밖으로 나온다. 이와 같은 산란을 기하학적 산란이라고 부르며, 산란 방향은 표적 입자의 형성에 따라 변한다.
빛의 파장과 같거나 조금 큰 입자 또는 에어로졸에 부딪힐 경우, 가시광선에서는 파장과 상관없이 동일하게 산란하는 미 산란Mie Scattering 이 일어난다. 햇빛이 구름에 내리쬐면 미 산란이 일어나 다양한 색의 빛이 겹친 하얀빛이 우리 눈에 닿는다. 이것이 구름이 하얀 이유다. 그리고 상공에 구름이 있어 하층 구름에 닿는햇빛이 약해지거나 구름 속에서 무수한 구름방울에 미 산란이 일어나 빛이 약해지면 어두운 색이 된다. 중하층의 적운상 구름이나 층상운의 운저가 어두운 이유는 이 때문이다.
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가시광선이 자신의 파장보다 훨씬 작은 공기 분자나 에어로졸에 부딪히면 파장이 짧은 빛일수록 강하게 산란되는 레일리산란이 일어난다. 산란의 강도는 빛의 파장의 4제곱에 반비례하기 때문에, 파장이 빨간빛의 약 절반인 보라빛은 빨간색보다 2의 4제곱, 즉 16배나 강하게 산란된다. 가시광선이 지구의 대기층에 들어오면 낮에는 먼지 보라색이 대기 상부에서 산란되고, 이어서 그다음으로 파장이 짧은 파란색이 대기 속에서 산란된다. 이 파란빛이 하늘에 퍼져서 우리 눈에 들어오기 때문에 한낮의 하늘이 파랗게 보이는 것이다. 한편 다른 빛은 그다.
지 산란되지 않고 지상까지 도달하기 때문에 한낮의 햇빛은 하얗게 보인다.
태양 고도가 낮은 아침이나 저녁에는 가시광선이 통과하는 대기층의 거리가 길어진다. 그러면 파장이 짧은 빛은 전부 산란되고 파장이 긴 빨간빛이 남아서 하늘에 퍼진다. 아침노을이나 저녁노을은 가시광선이 장렬한 산란을 거쳐 우리에게 보여주는 풍경인 것이다. 여담이지만, 신호등의 ‘멈춤‘ 신호에 빨간색을 사용하는 것은 빨간빛이 다른 색보다 산란의 경향을 적게 받아 먼 곳까지 도달한다는 과학적 근거에 입각한 것이다.
또한 바다가 파란 이유는 물이 파장이 긴 빨가빛을 흡수하는 특성이 있기 때문이다. 바다를 바라보는 우리의 눈에는 해면에서 반사된 하늘의 파란색과 함께 바닷속에서 파장이 긴 빛을 흡수해서 생겨난 파란색이 들어온다. 또한 바다의 색은 플랑크톤의 영향으로 탁한데, 플랑크톤이 적은 바다의 얕은 여울은 흰 모래나 튀어서 되돌아온 빛의 색이 섞여 투명한 에메랄드그린이 된다. - P152