소나기가 지나간 후 맑은 하늘에 떠오른 두 개의 무지개를 본 적이 있나요? 간혹 무지개가 선명히 나타날 때 바깥쪽에 또 다른 무지개가 보이기도 합니다. 이렇게 만들어진 두 개의 무지개를 쌍무지개라고 합니다. 무지개가 긍정적 의미를 갖고 있기 때문에 쌍무지개는 더 좋은 의미로 받아들여집니다. 쌍무지개를 발견하면 마치 세 잎 클로버로 가득한 풀밭에서 네 잎 클로버를 찾은 기분이 들겠죠. 그런데 세 쌍무지개를 봤다는 사람은 한 명도 없습니다. 그 이유를 찾기 위해 무지개가 생기는 원리를 알아봅시다. 무지개는 아리스토텔레스(Aristotle)가 책 ‘기상학(De Meteorologica)’에서 처음 설명했습니다. 무지개의 생성 원리를 처음 과학적 사실에 맞게 설명한 과학자는 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643~1727)입니다. 뉴턴이 빛의 특성을 처음 알아냈기 때문에 무지개의 원리를 설명할 수 있었죠. 그는 두 개의 프리즘을 이용한 결정적 실험(experimentum crucis)을 통해 백색광이 여러 색의 빛이 합성돼 만들어졌다는 것을 밝혔습니다. 무지개의 여러 색깔 빛은 사실 햇빛이 나누어진 것이란 사실을 알아냈죠. 햇빛은 프리즘에 들어가면 여러 색으로 퍼져 나가는데 이를 분산이라 합니다. 분산은 프리즘 외에도 굴절이 일어날 때 항상 나타나는 현상입니다. 무지개는 비 온 뒤 햇빛이 날 때 관찰할 수 있습니다. 공기 중에 남아 있는 물방울이 프리즘처럼 작용해 빛을 분산시킵니다. 물방울에 들어간 햇빛이 색에 따라 퍼져 나가고, 물방울 뒷면에서 반사돼 되돌아 나오면서 무지개를 만드는 것이죠. 빛은 색(파장)에 따라 굴절하는 정도가 다릅니다. 그래서 우리는 햇빛과 42°를 이루는 위치에서 빨간색, 40°를 이루는 위치에서 보라색을 띠는 무지개를 볼 수 있습니다. 사실 무지개는 원래 원 모양입니다. 그런데 왜 우리가 보는 무지개는 반원 모양일까요? 무지개의 중심은 태양과 관측자의 눈을 잇는 직선상에 위치합니다. 태양의 고도가 높아질수록 무지개의 중심은 지평선에 가까워지죠. 원형 무지개의 일부분이 지평선에 가려져 반원 또는 원호 형태로 보이는 것입니다. 원형 무지개는 분무기로 물을 뿌릴 때나 분수대, 폭포 같은 곳에서 볼 수 있습니다. 간혹 비행기를 타고 높은 곳에 올라갔을 때도 볼 수 있죠. 우리가 보는 무지개는 대부분 반원보다 더 잘린 원호 형태입니다. 반원 무지개는 해가 지평선 근처에 있을 때 관찰할 수 있습니다. 어떤 사진작가는 무지개가 수평선 끝에 걸린 사진을 찍었습니다. 이때 태양의 고도가 약 40°라는 것을 이용하면 사진 찍은 시간을 알 수도 있습니다. 태양의 고도가 40°를 넘으면 무지개를 볼 수 없습니다. 그렇기 때문에 주로 저녁 시간이 가까워졌을 때 무지개를 발견할 수 있습니다. 그럼 쌍무지개는 어떻게 생길까요? 빛이 물방울 내부로 들어가면 여러 번 반사할 수 있습니다. 한 번만 반사한 후 되돌아 나오는 빛이 1차 무지개를 만들고, 두 번 반사한 후 나오는 빛이 2차 무지개를 만듭니다. 2차 무지개는 햇빛과 약 50~53°를 이루는 위치에 만들어져 1차 무지개 바깥쪽에 나타납니다. 2차 무지개가 1차 무지개와 다른 점은 색 순서가 반대라는 것입니다. 안쪽이 빨간색, 바깥쪽이 보라색을 띱니다. 물방울 내부에서 한 번 더 반사가 이루어지면 어떻게 될까요? 여러분이 예상한 대로 3차 무지개가 만들어집니다. 그런데 왜 세 쌍무지개를 봤다는 사람은 아무도 없을까요? 세 번 반사하는 과정에서 빛의 양이 줄어 들기 때문일까요? 맞기도 하고 틀리기도 합니다. 이를 설명하려면 빛이 반사되는 각도를 생각해봐야 합니다. 물방울 내부에서 반사된 빛이 다시 되돌아 나오는 각도는 약 140°입니다. 1차 무지개나 2차 무지개를 보려면 태양을 등져야 합니다. 하지만 3차 무지개는 태양이 있는 쪽에 나타납니다. 태양이 너무 밝아서 3차 무지개가 보이지 않는 것이죠. 빛이 물방울 내부에서 네 번 반사돼 만들어지는 4차 무지개 역시 태양이 있는 쪽에 나타나서 볼 수 없습니다. 5차 무지개는 태양 반대쪽에 나타나지만 너무 흐려서 보이지 않습니다. 형형색색 일곱 가지 색으로 하늘을 물들인 세 쌍무지개, 상상만 해도 아름답죠? 세 쌍무지개를 볼 수 없다고 너무 실망하지 마세요. 우선 쌍무지개의 아름다움을 느껴보기 바랍니다. 쌍무지개는 우리에게 자연의 아름다움과 신비를 선사합니다. 동시에 빛의 반사와 굴절, 분산에 대한 과학적 이해도 돕죠. 이렇게 우리는 쌍무지개를 통해 자연의 미학과 과학이 어우러지는 것을 볼 수 있습니다.