빛의 굴절: 아스팔트 위 아지랑이

 

뜨거운 여름날, 도로 위를 달리다 보면 멀리 아스팔트가 물에 젖은 듯 아지랑이가 피어오르는 걸 본 적이 있을 것이다.

실제로는 물이 없는 데도 마치 물결처럼 아른아른거리는 이 현상, 그 정체는 무엇일까?

 

아지랑이의 원인: 온도 차이

여름철 아스팔트 표면은 햇볕을 받아 뜨겁게 달궈진다. 

표면 근처 공기는 가열되어 위로 올라가고, 그 위에는 상대적으로 차가운 공기가 층을 이루며
-> 공기의 온도 차이가 생기고, 굴절률 차이가 함께 발생한다.

 

온도 차이와 굴절률

굴절률 n=빛의 속도/매질 속 빛의 속도 

공기의 굴절률은 약 1이지만, 공기는 밀도가 온도에 따라 쉽게 변하고, 굴절률이 미세하게 달라지게 된다.

이상 기체 상태 방정식 PV=nRT 
-> 압력이 일정할 때, 온도가 올라가면 부피가 커지고 밀도는 줄어든다.

빛의 속도는 진공에서 가장 빠르고, 밀도가 높은 매질에서는 느리게 진행한다.
따라서 밀도가 높을수록 굴절률이 크다.

 

빛의 굴절

스넬의 법칙 n1sinθ1=n2sinθ2
-> 굴절률이 클수록 굴절각이 작다.

• 태양광이 검은색 아스팔트에 도달 -> 빛의 일부가 반사
• 아스팔트 근처의 뜨거운 공기층: 밀도 ↓, 굴절률 ↓ -> 굴절각이 작음
• 위쪽의 상대적으로 차가운 공기층: 밀도 ↑, 굴절률 ↑ -> 굴절각이 큼
• 진행 경로가 점점 위로 휘어지는 곡선을 그림

이렇게 진행하는 빛이 눈에 도달하면, 땅에 있던 물체가 하늘 쪽으로 뒤틀려 보이면서 아지랑이가 발생한다.

 

과학 상식 한 스푼

굴절률  n = c/v
(c = 빛의 속도, v = 매질 속 빛의 속도)

이상 기체 상태 방정식 PV=nRT 

스넬의 법칙 n1sinθ1=n2sinθ2

 

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뜨겁게 달궈진 도로 위의 아지랑이.

사실은 햇빛과 공기, 그리고 물리학이 만들어낸 작은 신기루였다.