대기 굴절(大氣屈折, atmospheric refraction)은 빛이 대기권을 통과하면서 밀도 차에 의해 굴절되는 현상을 말한다. 천문학에서 별을 관측할 때, 대기 굴절에 의해 발생하는 관측의 오차를 대기차(大氣差)라고 한다.
개요
지구 대기는 고도에 따라 밀도가 다르며, 일반적으로 고도가 낮을수록 공기의 밀도가 높다. 빛이 이러한 밀도가 다른 여러 층의 대기권을 통과할 때, 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 매질의 굴절률 차이로 인해 진행 방향이 휘어지게 된다. 이 현상이 대기 굴절이다.
천문학에서의 영향
천문학에서 대기 굴절은 항상 고려해야 할 중요한 요소이다. 허블 망원경과 같이 대기권 밖에서의 관측을 제외한 모든 지상 관측은 지구 대기권을 통과하는 빛을 이용하므로, 대기 굴절에 의한 영향을 받는다.
- 별의 겉보기 위치가 실제 위치보다 높게 보인다.
- 고도가 낮은 천체(지평선 근처)일수록 굴절 효과가 크며, 천정(zenith, 머리 위)에서는 굴절 효과가 거의 나타나지 않는다.
- 일출 시 태양이 기하학적으로 지평선 위로 떠오르기 전에도 대기 굴절로 인해 먼저 보이게 된다.
대기 굴절률
공기의 굴절률은 공기의 밀도에 따라 달라지며, 온도와 압력에 따라 변한다. 고도가 높을수록 압력이 낮아져 굴절률도 낮아진다. 대기 굴절률은 기압, 기온, 수증기압의 함수로 표현된다.
일상에서의 현상
- 아지랑이(heat haze): 뜨거운 공기와 차가운 공기가 섞일 때 온도 변화로 인해 빛이 불규칙하게 굴절되어 나타나는 현상으로, 불 위, 엔진 배기 가스, 화창한 날의 도로 위 등에서 관찰된다.
- 신기루(mirage): 지표면 근처의 기온 변화로 인해 빛이 굴절되어 물체가 실제와 다른 위치에 있는 것처럼 보이는 현상이다. 특히 화창한 날 뜨거운 도로 위에서 물이 있는 것처럼 보이는 현상이 대표적이다.
- 태양의 납작해짐: 지평선 근처의 태양이 대기 굴절로 인해 약간 납작해 보인다.
레이더 및 통신에서의 영향
대기 굴절은 전파(라디오파)의 전파 경로에도 영향을 미친다. 레이다 시스템에서 대기 굴절은 표적의 거리, 고각 측정에 오차를 발생시키며, 장거리 탐지일수록 그 영향이 커지므로 보정이 필요하다. 대기 굴절률의 변화에 따라 전파 환경은 표준굴절(standard), 정상굴절(normal), 아굴절(sub-refraction), 초굴절(super-refraction), 덕팅(ducting) 등으로 구분된다.
