How big is 적외선 파장?

적외선은 파장이 너무 길어서 사람의 눈에 보이지 않는 빛이다. 이 사이트는 길이가 15마이크로미터인 적외선 파장을 보여 준다. 1마이크로미터는 1미터의 100만분의 1이고, 1밀리미터의 1,000분의 1이다. 지구가 열로 내보내는 파장 중에는 이 정도 길이의 파장도 있다.

파장

빛은 파동으로 나아가며, 파장은 파동의 한 마루에서 다음 마루까지의 거리이다. 적외선의 파장은 가시광선의 파장보다 길다. 사람은 적외선을 볼 수 없지만, 일부는 열로 느낄 수 있다.

국제조명위원회(CIE)는 적외선의 범위를 대략 780나노미터에서 1밀리미터까지로 정한다. 1나노미터는 1마이크로미터의 1,000분의 1이다. 가장 긴 적외선 파장은 가장 짧은 파장의 약 1,300배이다. CIE는 이 범위를 IR-A(780~1,400나노미터), IR-B(1.4~3마이크로미터), IR-C(3마이크로미터~1밀리미터)로 나누며, 따라서 15마이크로미터 파장은 IR-C에 속한다.

다른 분야에서는 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 나누어 부르는데, CIE는 이들 사이의 경계가 용도에 따라 달라진다고 언급한다. NASA의 제임스 웹 우주 망원경은 4.9~28.8마이크로미터를 중적외선으로 본다. 지구과학자들은 8~15마이크로미터를 열적외선이라고 부르는데, 이 파장이 지구가 내보내는 열을 연구하는 데 가장 알맞기 때문이다. 이 사이트가 보여 주는 15마이크로미터는 그 대역의 긴 쪽 끝에 있다.

크기 비교

15마이크로미터 파장 약 5~7개를 끝과 끝을 맞대어 한 줄로 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기(80~100마이크로미터)에 이른다.
15마이크로미터 파장은 사람이 볼 수 있는 가장 긴 빛인 적색광의 파장(약 700나노미터)의 약 20배이다.
TV 리모컨은 파장이 약 940나노미터인 적외선을 쓴다. 15마이크로미터 파장은 그 16배이다.
15마이크로미터 파장 하나의 길이는 이 사이트에서 바로 옆에 있는 지름 10마이크로미터의 백혈구 지름의 1.5배이고, 지름이 7~8마이크로미터인 적혈구 지름의 약 2배이다.

적외선과 열

윌리엄 허셜은 1800년에 적외선을 발견했다. 그는 햇빛의 각 색깔에 온도계를 놓고, 파란색에서 빨간색 쪽으로 갈수록 온도가 올라간다는 것을 알아냈다. 눈에 빛이 보이지 않는 빨간색 바깥쪽에서는 온도가 더 높았다.

불처럼 매우 뜨거운 물체는 적외선뿐 아니라 가시광선도 내보낸다. 사람이나 동물처럼 더 차가운 물체는 적외선만 내보낸다. 적외선 카메라와 야간 투시경은 적외선을 감지하므로, 눈에 보이지 않는 따뜻한 몸을 보여 줄 수 있다.

지구의 열과 이산화탄소

지구는 적외선의 형태로 우주에 열을 잃는다. 유럽우주국(ESA)은 지구가 내보내는 에너지의 97퍼센트가 넘는 부분이 파장 4~100마이크로미터라고 보고한다. 공기 중의 기체가 그 일부를 흡수해 지표면을 데우는데, 이를 온실 효과라고 한다. 온실 효과는 지구의 평균 지표 온도를 섭씨 약 15도로 유지해 주며, 이는 대기가 없을 때보다 30도가 넘게 따뜻한 온도이다.

이산화탄소는 약 12~13마이크로미터보다 긴 적외선을 강하게 흡수하며, 15마이크로미터도 여기에 포함된다. 이는 지구 표면이 에너지를 가장 많이 내보내는 파장인 약 12.5마이크로미터와 가깝다. 수증기는 약 8~14마이크로미터의 빛을 거의 흡수하지 않는다. 이 범위는 대기의 창이며, 그 빛은 상당 부분이 이 창을 통해 우주로 빠져나간다. 이산화탄소가 더 많아지면 이 창이 부분적으로 닫힌다.

15마이크로미터로 보는 우주

웹 망원경의 중적외선 관측 장비(Mid-Infrared Instrument)인 MIRI는 15마이크로미터에서 사진을 찍을 수 있다. MIRI의 검출기는 7켈빈 아래로 유지해야 한다. 7켈빈은 가능한 가장 낮은 온도인 절대 영도보다 7도 높은 온도이다. 망원경에는 이 검출기만을 위한 크라이오쿨러라는 냉각기가 실려 있다.

2023년에 천문학자들은 MIRI로 지구에서 약 40광년 떨어진 암석 행성 TRAPPIST-1 b의 온도를 쟀다. 광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리이다. 이 행성의 낮 쪽 면은 15마이크로미터에서 약 500켈빈(섭씨 약 230도)의 표면만큼 밝게 빛났다.

이는 열을 고르게 퍼뜨릴 대기가 없는 맨 암석의 온도와 들어맞는다. 이산화탄소가 많은 대기가 있었다면 15마이크로미터 빛이 더 적게 나와, 행성이 더 차갑게 보였을 것이다.