응결과 구름 만들기

공기가 1 km 올라가면 포화될 때까지 9.8 °C 식습니다. 구름 밑면이 평평한 까닭입니다.

더운 날의 차가운 컵

습한 날 냉장고에서 차가운 캔 음료를 꺼내 두면, 1분도 지나지 않아 캔 바깥이 젖습니다. 이 물은 캔을 뚫고 새어 나온 것이 아닙니다. 이 물은 캔 둘레의 공기에서 온 것입니다. 차가운 금속 표면에 닿은 공기는 온도가 내려갑니다. 그런데 차가운 공기는 따뜻한 공기만큼 수증기를 많이 품지 못합니다. 그래서 품지 못하고 남은 수증기가 액체로 바뀝니다. 이것이 증발의 반대인 응결입니다. 그리고 구름이 생기는 방식도 정확히 이와 똑같습니다.

NOAA는 이것을 두 가지 온도로 설명합니다. 하나는 기온이고, 다른 하나는 이슬점입니다. 이슬점은 공기가 수증기로 포화되는 온도를 말합니다. 공기를 이슬점보다 낮은 온도로 식히면 수증기가 응결하기 시작합니다. 그리고 땅 가까이에서 기온과 이슬점이 서로 같아지면, 그때는 안개가 끼는 일이 많습니다.

올라가는 공기는 스스로 식습니다

공기를 이슬점까지 식히는 가장 흔한 방법은 공기를 위로 들어 올리는 것입니다. 높이 올라갈수록 기압이 낮아지므로, 위로 올라가는 공기 덩어리는 점점 부풉니다. 공기가 부풀려면 에너지가 드는데, 이 에너지는 공기 덩어리 자신에게서 나옵니다. 그래서 열이 밖으로 빠져나가지 않았는데도 온도가 내려갑니다. 기상학자들은 이렇게 식는 것을 단열 냉각이라고 부릅니다. 건조한 공기라면 높이 1 km를 올라갈 때마다 9.8 °C씩 식습니다. 이 값을 건조 단열 감률이라고 합니다.

예를 들어 지표 공기의 기온이 30 °C이고 이슬점이 18 °C라고 합시다. 올라가는 동안 기온은 1 km마다 약 9.8 °C, 이슬점은 약 1.8 °C씩 내려갑니다. 12 °C의 차이는 1 km마다 8 °C씩 줄어들므로, 상승 응결 고도는 출발점 위 약 12 ÷ 8 = 1.5 km입니다. 바로 그 높이에서 구름의 첫 물방울이 생기기 시작합니다. 그 지역의 공기는 온도와 습도가 거의 같기 때문에, 모든 공기가 거의 같은 높이에서 포화됩니다. 여름 오후에 줄지어 떠 있는 적운의 밑면이 모두 한 높이로 평평한 것은 이 때문입니다.

모든 물방울에는 알갱이가 하나씩 있습니다

구름 물방울은 보통 구름 응결핵이라는 에어로졸 입자에 수증기가 응결하면서 생깁니다. 바다 소금, 먼지, 연기, 화산재가 이런 입자를 공급할 수 있습니다. 구름 물방울로 자라기 시작하는 조건은 보편적인 최소 반지름이 아니라 입자의 크기와 조성, 습도가 포화 상태를 얼마나 넘는지에 따라 달라집니다. 자라는 물방울은 응결핵보다 훨씬 커지며 여전히 거의 순수한 물입니다.

응결은 증발할 때 가져갔던 에너지를 다시 돌려줍니다. 수증기가 액체로 바뀔 때 주변 공기에 열을 내놓기 때문입니다. 그 열 덕분에 구름 속 공기는 더 가벼워져서 더 높이 올라갑니다. 높이 올라간 공기는 더 많이 응결하고, 그만큼 다시 더 많은 열을 내놓습니다. NOAA는 이렇게 응결할 때 나오는 열이 허리케인을 키우는 데에도 한몫한다고 설명합니다. 구름은 다 만들어진 채로 멈춰 있는 법이 없습니다. 가장자리에서는 물방울이 계속 증발하고, 안쪽에서는 새 물방울이 계속 생깁니다. 그래서 구름은 우리가 보고 있는 사이에도 모양이 바뀝니다.