지평선 근처의 별은 왜 어둡고 붉을까

같은 별도 지평선 가까이에 있으면 빛이 공기를 더 많이 지나옵니다. 그동안 별빛이 줄고, 파란빛이 더 많이 줄어 색도 붉은 쪽으로 바뀝니다.

은하수 중심부가 산 위로 막 올라왔습니다. 구름은 없는데 띠가 흐릿합니다. 한참 뒤 조금 높이 올라온 모습을 찍으니, 같은 설정인데도 더 또렷하게 보입니다. 그사이 달빛이나 날씨가 바뀌지 않았다면 별빛이 지나온 공기의 양을 생각해 볼 수 있습니다.

앞의 은하수 중심부 고도 글은 산에 가리지 않는 높이를 살펴봤습니다. 이번에는 가리지 않는 하늘에서도 낮게 뜬 별빛이 더 약해지는 이유를 알아봅니다.

낮은 별빛은 공기를 비스듬히 지나옵니다

머리 위에서 오는 별빛은 대기를 거의 곧장 통과합니다. 지평선 쪽에서 오는 빛은 같은 대기층을 비스듬히 가로지릅니다. 그래서 우리 눈이나 카메라에 닿기까지 더 많은 공기를 지나게 됩니다.

공기는 완전히 투명하지 않습니다. 공기 분자와 작은 입자는 빛의 일부를 다른 방향으로 흩어 놓고, 일부 기체는 특정 파장의 빛을 흡수합니다. 별에서 출발한 빛 중 우리 쪽으로 곧장 오는 몫이 줄어드는 것입니다. 이처럼 대기를 지나며 별빛이 약해지는 현상을 대기 소광이라고 합니다.

별 자체가 어두워진 것은 아닙니다. 별과 우리 사이에 놓인 대기의 영향입니다. 별까지의 먼 거리를 더 갔기 때문도 아닙니다. 같은 밤에 비교하는 고도 차이는 주로 지구 가까이에 있는 공기를 얼마나 통과하느냐의 차이입니다.

머리 위를 한 겹으로 셉니다

통과하는 공기의 양을 비교할 때 머리 위 방향을 약 1로 놓습니다. 그 두 배를 지나면 2, 세 배면 3입니다. 천문학에서는 이 비율을 대기 질량이라고 부릅니다. 단위가 kg인 공기의 무게를 말하는 것이 아닙니다.

고도는 지평선에서 위로 잰 각도입니다. 머리 위는 90°, 지평선은 0°입니다. 고도 30°의 별빛은 머리 위의 약 두 배에 해당하는 공기를 지나옵니다. 10°까지 내려오면 약 5.6배입니다. 고도가 절반이 될 때 공기의 양이 늘 같은 배수로 늘어나는 것은 아닙니다. 낮은 하늘로 갈수록 영향이 빠르게 커집니다.

여기서 공기의 양과 대기의 맑기는 나누어 생각해야 합니다. 같은 고도라도 연무가 낀 날에는 작은 입자가 별빛을 더 많이 가립니다. 반대로 아주 맑은 날에도 낮은 별빛이 머리 위보다 공기를 더 많이 지나는 관계는 같습니다.

공기를 두 배 지나면 빛도 절반일까요

꼭 그렇지는 않습니다. 한 겹을 지날 때 빛이 얼마나 줄어드는지도 알아야 하기 때문입니다.

한 겹을 지난 뒤 빛이 약 83% 남는 대기를 생각해 보겠습니다. 두 번째 겹에서는 처음의 100%가 아니라 남아 있는 83%에서 다시 같은 비율이 줄어듭니다.

이 예에서 고도 30°의 별빛은 대기 밖 밝기의 약 69%가 도달합니다. 10°에서는 약 36%만 도달합니다. 이 숫자는 모든 장소의 밤하늘에 적용되는 기준이 아닙니다. 아래 실험에서 비교를 위해 정한 대기입니다. 실제 값은 파장과 장소, 그날의 대기 상태에 따라 달라집니다.

같은 별의 높이를 바꿔 봅니다

아래 시뮬레이터에서 별의 고도를 낮춰 보세요. 별빛이 대기를 길게 가로지르고, 도달하는 빛의 비율이 줄어듭니다. 별과 노출 설정은 그대로 둔 실험입니다.

시뮬레이터에서 해 볼 만한 것들입니다.

• 고도를 30°에서 10°로 낮춰 보세요. 맑은 대기 예시에서는 도달한 별빛이 약 69%에서 36%로 줄어듭니다. 공기 통과량은 약 2배에서 5.6배로 늘어납니다.
• 고도를 30°에 두고 ‘옅은 연무’를 고르세요. 공기 통과량은 같지만 도달한 별빛은 약 48%로 줄어듭니다. 높이만으로 그날의 투명도를 알 수는 없습니다.
• ‘맑은 대기’에서 90°로 올려 보세요. 공기 통과량이 약 1배여도 도달한 별빛은 100%가 아닌 약 83%입니다. 머리 위에도 대기가 있기 때문입니다.

도달한 별빛의 숫자는 초록빛을 대표하는 파장대 기준입니다. 그림의 색은 파랑·초록·빨강이 서로 다르게 줄어드는 모습을 보여주는 예시입니다. 눈이나 특정 카메라가 보는 색을 그대로 재현한 것은 아닙니다. 대기층도 지나오는 길을 보기 쉽게 두껍게 그렸습니다.

파란빛이 더 많이 줄어듭니다

일반적인 맑은 대기에서는 파란빛이 붉은빛보다 더 많이 흩어집니다. 낮은 별빛이 공기를 길게 지나오면 파란빛의 몫이 더 줄어듭니다. 남은 빛을 모아 보면 원래보다 붉은 쪽으로 기울어집니다.

별의 온도가 그사이 내려간 것은 아닙니다. 별의 본래 색은 별이 내는 빛의 성질이고, 여기서 달라진 색은 그 빛이 대기를 지난 결과입니다. 원래 푸른 별도 낮게 있을 때는 그 푸른 기운이 약해질 수 있습니다.

같은 사진 안에서도 위쪽과 아래쪽은 서로 다른 양의 공기를 봅니다. 지평선 쪽을 맞추려고 화이트밸런스를 크게 바꾸면 위쪽 별의 색까지 함께 바뀝니다. 낮은 별빛의 색 변화와 사진 전체의 색 설정을 같은 문제로 보면 보정이 어려워집니다.

색이 누렇게 보인다고 언제나 대기 소광 때문인 것도 아닙니다. 도시의 불빛, 얇은 구름, 카메라 설정도 색을 바꿉니다. 소광은 별빛이 줄어드는 현상이고, 빛공해는 하늘 배경에 빛이 더해지는 현상입니다. 실제 촬영에서는 두 일이 함께 생길 수 있습니다.

은하수는 가장 높을 때 찍어야 할까요

별빛만 생각하면 높은 쪽이 유리합니다. 그렇지만 원하는 산이나 나무 위에 은하수를 놓으려면 낮은 구도가 필요할 때도 있습니다. 중요한 것은 낮은 구도를 고를 때 무엇을 더 확인해야 하는지 아는 것입니다.

먼저 날짜와 시각을 바꾸었을 때 원하는 구도가 유지되는 범위에서 조금 더 높이 올라오는 때를 찾아보세요. 우리나라에서 은하수 중심부는 아주 높이 뜨지 않습니다. 서울에서는 가장 높을 때도 약 23.4°입니다. 머리 위까지 기다릴 수 있는 대상이 아니므로, 고도만 기다리기보다 그날의 대기 투명도도 함께 살펴야 합니다.

산 능선이 또렷한지, 낮은 하늘에 뿌연 층이 있는지 시험 사진으로 비교해 보세요. 다만 이런 모습만으로 정확한 소광량을 재거나 날씨를 단정할 수는 없습니다. 비가 지난 뒤라도 습한 공기와 연무가 남아 있을 수 있습니다.

어두워졌다고 무조건 노출을 늘리지는 않습니다. 별이 흐르지 않는 셔터 속도를 넘기면 별이 길어집니다. 같은 구도가 중요하다면 그 범위 안에서 여러 장을 모으는 방법을 생각할 수 있습니다. 사진을 밝게 보정해도 대기에서 흩어져 카메라에 들어오지 않은 빛이 되돌아오지는 않습니다.

참고 자료와 모형의 범위

• Las Cumbres Observatory — Airmass Limit: 대기 질량에 따라 달라지는 관측 조건과 파장별 소광을 설명합니다.
• ESO — La Silla Extinction Coefficients: 실제 소광은 파장·장소·날씨에 따라 달라지며, 현장 관측이 필요함을 설명합니다.
• Kasten·Young(1989): 대기 질량 계산에 사용한 근사식입니다. 입력은 대기 굴절을 거쳐 보이는 고도이며, 이 실험은 10°부터 90°까지만 다룹니다.
• 두 대기의 감광 계수는 비교를 위해 정한 값입니다. 맑은 대기는 공기 한 겹당 초록빛이 0.20등급, 연무 예시는 0.40등급 어두워지도록 놓았습니다. 등급 눈금으로 계산한 예이며 특정 장소의 관측값이 아닙니다. 구름·빛공해·대기광과 별의 반짝임은 계산하지 않습니다.

정리

• 낮은 별빛은 대기를 더 많이 지나오므로 더 약해집니다.
• 공기 통과량은 머리 위에서 약 1배, 고도 30°에서 약 2배입니다.
• 같은 고도라도 대기 상태에 따라 도달하는 빛의 양이 달라집니다.
• 파란빛이 더 많이 줄면 별의 색이 붉은 쪽으로 바뀝니다.
• 원하는 구도와 고도, 대기 투명도, 별이 흐르지 않는 노출을 함께 봅니다.