구름은 어떻게 생길까

적운에는 1 m³마다 물이 약 0.5 g 들어 있어서, 가로세로 높이 1 km인 구름은 약 500톤을 싣고 다닙니다.

구름은 수증기가 아니라 물방울과 얼음입니다

하늘에 뜬 구름을 김이 뭉친 덩어리쯤으로 생각하기 쉽습니다. 하지만 수증기는 눈에 보이지 않는 기체입니다. 그런데도 구름이 보이는 것은 구름이 수십억 개의 아주 작은 물방울이나 얼음 결정으로 이루어져 있기 때문입니다. 이 물방울과 결정이 햇빛을 흩뜨려서 우리 눈에 보입니다. 물방울 하나하나는 수증기가 먼지, 소금, 연기의 작은 알갱이에 엉겨 붙으면서 생겼습니다. 물방울의 씨앗이 되는 이 알갱이를 구름 응결핵이라고 합니다. 입자가 구름 물방울로 자라기 시작하는지는 보편적인 최소 반지름이 아니라 입자의 크기와 조성, 공기의 과포화 정도에 따라 달라집니다.

수증기가 응결하려면 공기가 이슬점까지 식어야 합니다. 이슬점은 공기가 수증기로 포화되는 온도입니다. 땅 가까이에서는 하늘이 맑고 바람이 없는 밤에 이런 일이 생기고, 그래서 이슬이 맺히거나 안개가 낍니다. 하지만 하늘 높은 곳에서 공기가 식는 것은 거의 언제나 공기가 위로 들어 올려지기 때문입니다. 위로 올라가는 공기는 주변 기압이 낮아지면서 부풀고, 부풀면 온도가 내려갑니다. NOAA는 포화되지 않은 공기가 1 km 올라갈 때마다 9.8 °C씩 식는다고 설명합니다.

공기를 들어 올리는 네 가지 방법

햇빛은 땅을 고르게 데우지 않습니다. 그래서 가장 따뜻하게 데워진 곳에서 따뜻한 공기 덩어리가 떠오르는데, 그 모습이 라바 램프 속 방울이 떠오르는 것과 비슷합니다. 이것을 대류라고 하며, 여름 오후에 피어오르는 적운은 바로 이 대류가 만듭니다. 산맥에 부딪친 바람은 비탈을 따라 억지로 위로 올라가게 됩니다. 그래서 산봉우리와 능선 위를 모자처럼 덮는 구름이 생기고, 바람받이 쪽 비탈에는 비가 내립니다. 전선에서는 따뜻한 공기가 더 차갑고 무거운 공기 위로 미끄러져 올라가고, 그러면서 넓게 퍼진 구름층이 생깁니다. 마지막으로 땅 가까이에서 여러 방향의 바람이 한데 모여들면, 공기는 위로 올라가는 것밖에는 갈 곳이 없습니다.

그렇게 무거운데도 떠 있는 이유

USGS는 구름 하나의 무게를 계산해 보았습니다. 보통 적운에는 공기 1 m³마다 물이 약 0.5 g 들어 있습니다. 가로, 세로, 높이가 모두 1 km인 구름이라면 부피가 10억 m³입니다. 그러니 이 구름에 든 물방울은 약 500,000,000 g이고, 이것은 500톤입니다. 그런데도 구름이 떨어지지 않는 데에는 까닭이 있습니다. 물방울이 엄청난 부피의 공기 속에 넓게 흩어져 있고, 그 습한 공기가 주변의 건조한 공기보다 조금 가볍기 때문입니다. NWS에 따르면 물방울 하나는 평균 1초에 약 1.3 cm로 아주 느리게 떨어집니다. 그래서 약한 상승 기류만으로도 물방울이 공중에 떠 있을 수 있습니다. 물방울이 빗방울만큼 자라야 비로소 구름에서 떨어져 나옵니다.

구름은 또 한순간도 멈추지 않고 끊임없이 바뀝니다. 구름의 가장자리는 주변의 건조한 공기와 섞이는데, 그 가장자리에서는 물방울이 증발합니다. 반면 공기가 아직 올라가고 있는 안쪽에서는 새 물방울이 생깁니다. NOAA는 구름을 응결과 증발 사이에서 균형을 이룬 상태로 설명합니다. 그래서 적운은 우리가 지켜보는 20분 사이에도 자라고, 줄어들고, 사라질 수 있습니다.

추운 아침이면 누구나 작은 구름을 하나 직접 만들어 볼 수 있습니다. 숨을 내쉬면 허파에서 나온 따뜻하고 습한 공기가 바깥의 찬 공기와 섞이면서 이슬점 아래로 식고, 작고 하얀 김으로 응결합니다. 이 김은 1~2초 만에 사라집니다. 더 많은 건조한 공기와 섞이면서 물방울이 다시 증발하기 때문입니다. 하늘에 뜬 구름도 이와 같은 현상이 훨씬 큰 규모로 일어나는 것입니다. 그리고 하늘의 구름은 계속 위로 올라가는 공기가 살려 두고 있습니다.