바닷물 색깔이 깊이에 따라 다른 이유

바닷물의 색은 단순히 표면에 비친 하늘의 색이 아니라, 빛과 물 그리고 그 안에 담긴 무수한 물질들이 상호작용하여 만들어내는 복합적인 과학적 현상의 결과물이다. 얕은 해변의 투명한 에메랄드빛부터 심해의 짙은 남색에 이르기까지, 수심에 따라 변화하는 바다의 색은 태양으로부터 오는 빛이 물 분자와 어떻게 상호작용하는지에 대한 근본적인 원리를 담고 있다. 태양의 백색광은 사실 다양한 색상의 빛이 혼합된 가시광선 스펙트럼으로 이루어져 있으며, 이 빛이 물이라는 매질을 통과하면서 특정 파장의 빛은 흡수되고 다른 파장의 빛은 산란되는 선택적 과정을 거친다. 특히 물 분자는 붉은색 계열의 긴 파장의 빛을 우선적으로 흡수하는 특성을 지닌다. 이로 인해 수심이 깊어질수록 붉은색, 주황색, 노란색 빛은 점차 사라지고, 파장이 짧아 상대적으로 깊이까지 투과할 수 있는 푸른색 계열의 빛만이 남게 된다. 이 남겨진 푸른 빛이 물 분자에 의해 사방으로 흩어지는 산란 현상을 통해 우리 눈에 들어와 바다를 푸르게 보이게 하는 것이다. 하지만 바다의 색은 단순히 물의 깊이와 빛의 흡수 및 산란만으로 결정되지 않는다. 바닷속에 존재하는 식물성 플랑크톤의 농도, 강물에서 유입되는 퇴적물의 종류와 양, 용존 유기물의 함량 등 다양한 변수들이 빛의 경로를 바꾸고 특정 색을 반사하거나 흡수함으로써 지역과 계절에 따라 다채로운 바다색을 연출한다. 따라서 깊이에 따른 바다색의 변화를 이해하는 것은 빛의 물리적 특성, 물의 광학적 성질, 그리고 해양 생태계의 화학적·생물학적 요인들을 종합적으로 탐구하는 과정이라 할 수 있다.

빛과 물의 상호작용: 바다색의 근원을 찾아서

바다의 색을 결정하는 가장 근본적인 요인은 태양광과 물 분자 간의 상호작용에 있다. 우리가 인지하는 태양의 백색광은 실제로는 무지개색으로 알려진 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라색 등 다양한 파장을 가진 빛의 집합체이다. 이 빛이 대기를 통과하여 바다 표면에 도달한 후 물속으로 진입하면서부터 색의 분화가 시작된다. 물은 모든 파장의 빛을 동일하게 통과시키는 투명한 매질이 아니라, 특정 파장의 빛을 선택적으로 흡수하는 필터와 같은 역할을 수행한다. 물 분자는 진동 에너지가 적외선 영역에 가까운 붉은색 계열, 즉 파장이 긴 빛을 흡수하는 데 매우 효율적이다. 따라서 태양광이 물속으로 들어오면 가장 먼저 파장이 긴 붉은색 빛이 흡수되어 사라진다. 수심 약 3~5미터만 내려가도 붉은색은 거의 자취를 감추며, 수심 10~15미터에서는 주황색, 25미터 근방에서는 노란색 빛까지 대부분 흡수된다. 이러한 선택적 흡수 과정이 깊어질수록 순차적으로 일어나면서, 상대적으로 파장이 짧아 에너지가 높고 흡수가 덜 되는 초록색과 푸른색 계열의 빛만이 더 깊은 곳까지 도달하게 된다. 결국 수심 수십 미터 아래로는 푸른색과 남색 빛이 지배적인 광원이 된다. 하지만 단순히 특정 색의 빛이 남는다고 해서 바다가 그 색으로 보이는 것은 아니다. 여기에 '산란(scattering)'이라는 또 다른 중요한 물리 현상이 개입한다. 빛이 물 분자와 같이 자신의 파장보다 매우 작은 입자와 부딪힐 때, 그 빛은 여러 방향으로 흩어지게 되는데 이를 '레일리 산란(Rayleigh scattering)'이라 한다. 레일리 산란은 파장이 짧을수록 훨씬 강하게 일어나며, 푸른색 빛은 붉은색 빛보다 약 16배 더 효과적으로 산란된다. 하늘이 파랗게 보이는 것과 동일한 원리이다. 깊은 바다까지 도달한 푸른색 빛은 물 분자들에 의해 사방으로 산란되고, 이 중 일부가 다시 수면을 향해 되돌아와 우리 눈에 도달하기 때문에 맑고 깊은 바다는 짙푸른색을 띠게 되는 것이다. 즉, 바다의 근원적인 푸른색은 다른 색들이 물에 의해 '흡수'되어 제거된 후, 유일하게 살아남은 푸른빛이 물 분자에 의해 '산란'되어 우리에게 보이는 현상이라고 종합적으로 이해할 수 있다.

깊이와 부유물: 바다색을 바꾸는 변수들

순수한 물과 빛의 상호작용이 바다의 기본적인 푸른색을 결정한다면, 실제 우리가 마주하는 다채로운 바다색은 깊이와 더불어 물속에 포함된 다양한 부유물질에 의해 결정된다. 깊이는 빛의 필터링 정도를 결정하는 가장 직관적인 변수이다. 수심이 얕은 해변에서는 태양광이 해저 바닥에 충분히 도달한 후 반사될 수 있다. 이때는 물에 의한 빛의 흡수 효과가 미미하기 때문에, 바닥의 모래나 암석, 해조류의 색이 그대로 비쳐 보여 투명하거나 옅은 옥색, 에메랄드빛을 띠게 된다. 수심이 점차 깊어짐에 따라 앞서 설명한 빛의 선택적 흡수가 본격적으로 작용하여 붉은색과 노란색이 사라지고 청록색에서 점차 짙은 푸른색으로 변모한다. 빛이 거의 도달하지 못하는 수백 미터 이상의 심해, 즉 '무광층(aphotic zone)'에 이르면 바다는 모든 빛을 흡수하여 칠흑 같은 검은색을 띠게 된다. 이처럼 깊이는 빛의 투과와 흡수 스펙트럼을 조절하여 바다색의 명도와 채도를 결정하는 핵심적인 역할을 한다. 하지만 동일한 깊이라도 바다의 색이 천차만별인 이유는 바로 물속에 녹아있거나 떠다니는 부유물 때문이다. 가장 대표적인 예가 해양 생태계의 기반을 이루는 식물성 플랑크톤이다. 이 미세 조류들은 광합성을 위해 엽록소(chlorophyll)라는 색소를 가지고 있는데, 엽록소는 빛의 스펙트럼에서 붉은색과 푸른색 파장을 주로 흡수하고 초록색 파장은 반사하는 특징이 있다. 따라서 식물성 플랑크톤이 풍부한 바다는 엽록소에 의해 반사된 초록빛의 영향으로 녹색 또는 청록색을 띠게 된다. 영양염류가 풍부한 연안이나 용승 현상이 일어나는 해역이 짙은 녹색을 보이는 이유가 바로 여기에 있다. 또 다른 중요한 변수는 육지로부터 강물을 통해 유입되는 미세한 흙, 모래와 같은 무기 퇴적물과 유기물 입자들이다. 이러한 입자들은 물의 투명도를 낮추는 탁도(turbidity)를 증가시킨다. 이 입자들은 레일리 산란보다 파장에 덜 의존적인 '미 산란(Mie scattering)'을 일으키며, 특정 색을 흡수하기보다는 빛을 무차별적으로 흩어버리는 경향이 있다. 특히 황토와 같은 퇴적물이 많이 섞인 연안의 바다는 노란색이나 갈색으로 보이게 된다. 이처럼 바다의 색은 수심이라는 수직적 요인과 플랑크톤, 퇴적물이라는 내용물의 수평적 분포가 복합적으로 작용한 결과이며, 이를 통해 우리는 바다의 물리적 상태뿐만 아니라 생물학적, 화학적 건강 상태까지도 유추할 수 있다.

바다색의 종합적 이해: 깊이가 연출하는 빛의 파노라마

결론적으로, 바닷물의 색이 깊이에 따라 달라지는 현상은 태양광이라는 원재료가 바다라는 거대한 프리즘 겸 필터를 통과하며 겪는 빛의 흡수, 산란, 반사의 대서사시라 할 수 있다. 이는 단일한 원인이 아닌, 여러 물리적·생물학적 요인이 중첩되어 나타나는 복합적인 결과물이다. 그 과정을 단계별로 종합해 보면 다음과 같다. 첫째, 태양의 백색광이 바다 표면으로 입사한다. 둘째, 물 분자는 파장이 긴 붉은색 빛부터 순차적으로 흡수하기 시작한다. 이로 인해 얕은 수심에서부터 붉은 계열의 색이 소멸된다. 셋째, 수심이 깊어질수록 주황, 노랑, 초록색 빛이 차례로 흡수되며, 파장이 짧아 투과력이 가장 좋은 푸른색 빛만이 깊은 곳까지 살아남는다. 넷째, 이 살아남은 푸른 빛은 순수한 물 분자에 의해 효율적으로 산란(레일리 산란)되어 우리 눈에 들어오면서 맑고 깊은 바다의 특징적인 푸른색을 만들어낸다. 이것이 바다색의 기본 골격이다. 여기에 다양한 변수들이 색의 변주를 이끌어낸다. 수심이 얕아 빛이 해저면에 닿는 곳에서는 바닥의 색이 수면에 투영되어 맑고 투명한 빛깔을 연출한다. 식물성 플랑크톤이 번성하는 해역에서는 엽록소가 푸른빛과 붉은빛을 흡수하고 녹색 빛을 반사하여 바다를 생명력 넘치는 녹색으로 물들인다. 육지로부터 유입된 퇴적물이나 부유 유기물은 빛을 무차별적으로 산란시키거나 특정 파장을 흡수하여 바다를 황갈색의 흙탕물처럼 보이게도 한다. 따라서 우리가 관찰하는 바다의 색은 해당 해역의 깊이, 투명도, 생물 활동의 활성도, 그리고 육지와의 인접성 등 수많은 정보를 함축하고 있는 중요한 지표가 된다. 인공위성에서 해양의 색(ocean color)을 원격으로 관측하여 플랑크톤의 대량 증식(녹조·적조 현상)을 감시하고, 어장의 분포를 예측하며, 기후 변화가 해양 생태계에 미치는 영향을 연구하는 것은 바로 이러한 원리를 응용한 것이다. 결국, 무심코 지나쳤던 바다의 푸른빛은 단순한 풍경이 아니라, 그 깊은 물속에서 벌어지는 빛과 생명의 역동적인 상호작용을 시각적으로 드러내는 장엄한 파노라마인 셈이다.