햇무리와 달무리

<2020년 3월 28일 촬영한 햇무리(강원도 원주)>

온대저기압이 형성되면, 온난전선 전방에 층운형 강수구름이 형성되고, 이로인해 햇무리(sun halo)나 달무리(moon halo)가 생길 수 있다. 항상 그런것은 아니지만, 햇무리는 아래 그림에서 Stratus Clouds(층운형 구름)라고 써 있는 오른쪽 전방 쯤 되는 구름에서 생긴다.

 

온대저기압의 지상 일기도(상)와 온대저기압 단면도(하)

온대저기압의 단면도

 온대저기압은 편서풍의 영향으로 동진한다. 때문에 해무리나 달무리가 생긴다는건 곧 층운형 구름이 접근하기 때문에 강수 가능성이 높아진다는 의미이기도 하다.

관측자 방향으로 온대저기압이 접근하면, 구름은 권운->권층운->고층운->난층운 형태로 바뀌게 된다.(그러나 항상 그런것은 아니다.) 여기서 주로 권층운이 해무리의 원인이 되는 구름이다. 

 

권층운이 끼고, 조건이 잘 맞으면 태양 주변에 원형 무지개가 생긴다. 각 반지름은 거의 항상 22도이다. 이를 햇무리라고 한다. 아래 사진은 2019년 6월 8일 필자가 광주-원주 고속도로의 어떤 휴게소에서 촬영한 사진이며, 햇무리의 아래 사진은 해외에서 얻어온 달무리 사진과 필자가 집 앞에서 촬영한 사진이다.(출처참고) 햇무리와 달무리는 발생 원인이 동일하다. 따라서 여기서는 햇무리가 어떤 과정으로 통해 발생하는지 자세히 알아보려 한다.

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2019년 6월 8일 광주-원주고속도로 휴게소에서 촬영한 해무리

<달무리(출처 : https://www.wmcactionnews5.com/2019/01/24/breakdown-why-halos-appear-around-moon/)>

<3월9일 촬영한 달무리(상 하 모두, 촬영 : 강원도 원주)>

우선 조건은 권층운이 있을 때이다. 고도가 높은 구름은 주로 빙정(얼음조각)이 있는데, 햇빛은 이 빙정을 통과하면서 굴절한다. 적색계열 파장(660nm)에서 굴절각은 약 21.54도, 녹색(green)계열 파장(550nm)에서 약 21.92도, 청색계열 파장(410nm)에서 약22.37도이다. 파장에 따라 굴절률이 달라 빛이 분산하여 무지개 형태의 색을 띄게 되는 것이며, 굴절각의 가장 중간 값인 21.92도, 즉 22도 정도의 각반지름을 가지게 된다.

22도 해무리와 46도 해무리의 원리(출처 : 지구과학산책, 기상청 대표블로그)

다만 이는 빙정이 위 그림처럼 태양광의 입사방향과 수직에 가깝게 놓였을 때이다. 경우에 따라 빙정기둥이 태양광의 입사방향과 나란하게 놓이게 되면, 굴절각이 46도로 증가하여 각반지름이 46도인 더욱 큰 해무리가 생긴다. 하지만 드물다.

 

햇무리를 보면 안쪽이 빨간색, 바깥쪽이 파란색을 띈다. 이 역시 파장에 따라 굴절각이 다른것이 원인이다. 앞서 이야기 하였듯, 빨간색 빛이 굴절각이 가장 작다. 이는 겉보기 위치변화가 가장 작다는 의미이다. 그러나 청색계열은 굴절각이 크고, 겉보기 위치변화가 크게 발생한다. 아래 그림을 보면, 겉보기 위치 변화가 청색파장이 크게 나타나고 적색파장이 작게 나타남을 쉽게 알 수 있다. 이같은 겉보기 위치변화의 정도 때문에 빨간색이 무리의 안쪽에, 파란색이 바깥쪽에 자리잡게 된다.

해무리 색 배열의 이해

<무리 해(sun dog)의 원리. 출처 : http://www.atoptics.co.uk/halo/dogfm.htm>

마지막으로, 각반지름이 22도인 햇무리가 만들어 질 수 있을만큼 충분히 많은 빙정이 태양광의 입사방향에 수직한 방향으로 배열되 있어야 하며, 또한 원형을 이루어야 한다.  그런데 구름 안에는 빙정이 엄청나게 많으니 원 형태의 무지개를 만들 수 있는 빙정은 충분히 존재한다. 이 역시 아래 그림을 보면 원리를 쉽게 이해할 수 있다.

빙정의 무작위 배열<출처 : https://news.ucar.edu/1240/incredible-optics-winter-afternoon>

마지막으로 굴절된 태양광이 관찰자에게까지 도달해야 한다. 빛이 구름을 통과하며 지나치게 많이 반사되거나 산란되어버리면 아예 관찰자에게 도달조차 못하여 햇무리가 생길 수 없다. 때문에 구름이 지나치게 두꺼우면 무리가 발생하기 어렵다. 특히 고층운부터는 구름의 고도가 낮아져 수적이 존재한다. 다시말해 액체상의 물방울이 존재하여 일정한 방향으로 굴절되기 어려워(무작위 방향으로 굴절될 가능성이 높아지며) 무리가 만들어지기 매우 어렵다. 이같은 이유로 태양광이 지나치게 많이 산란되거나 반사되며 수적이 많은 고층운, 난층운 등에서는 무리가 생기지 않고, 권운, 권적운, 고적운, 적운과 같이 구름이 띄엄띄엄 모여 있거나 두꺼운 경우에도 무리가 생기지 않는다.(다만 고층운에서는 낮은 확률로 무리가 생길 가능성은 있다.)

 

달무리는 해무리와 원리가 동일하다. 다만 해가 달로 바뀐 것 뿐이다.

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