구름의 생성 - 단열팽창에 대하여
(유레카과학교실 / 문충식 / 2012-10-31)

하늘에 떠 있는 구름은 작은 물방울들이 모여 있는 것이다. 구름이 비와 눈을 내리게 하거나 무지개나 햇무리 등과 같은 기상 현상을 일으킨다. 공기 중의 수증기가 어떻게 작은 물방울의 모임인 구름을 만들까? 「공기 중의 수증기가 물방울이 되어 구름이 되려면 공기의 온도가 이슬점 이하로 내려가야 한다.」 이 글을 잘 이해하지 못하는 사람은 ‘공기 중의 수증기’ 부분을 3번 정도 천천히 읽어야 한다.

● 단열팽창이란 ?

공기의 온도가 이슬점 이하로 내려가게 되는 과정을 이해하려면 단열 변화와 단열 팽창을 이해해야 한다. 단열 변화는 글자 그대로 열이 차단된 채 일어나는 변화이다. 헬륨 기체를 넣은 고무풍선은 가벼워서 위로 올라가게 되는데, 위로 올라갈수록 기압이 떨어지므로 고무풍선이 팽창하여 결국 터지게 된다. 이 때 고무풍선은 주변에 열을 빼앗기거나 주변 공기로부터 열을 받는 양이 아주 적다. 이와 같이 열 출입이 없이 부피가 팽창하는 것을 단열 변화라고 한다. 특히 부피가 팽창했으므로 단열 팽창이라고 한다.

그림은 대북 전달 살포용 헬륨 풍선으로 높이 올라가면 팽창하여 터지게 되고, 매달린 물품이 목표하는 지점에 떨어지게 된다.

● 헬륨을 넣은 고무풍선이 기압이 낮은 위로 올라갈 때 부피가 팽창하는 이유가 무엇일까?

(해설) 지상에서 고무풍선에 기체를 넣으면 그 내부의 압력이 대기압이 같은 상태가 된다. 위로 올라가서 대기압이 떨어지면 풍선 내부의 압력이 더 커서 풍선이 팽창한다.

● 음식을 식히는 경우엔 입술을 오므리고 ‘호오~~’하고 불고, 손을 녹이는 경우엔 입을 벌리고 ‘하아~~’하고 분다. 그 이유가 무엇일까?

(해설) 입술을 오므리고 불 때는 차가운 바람이 나오고, 입을 벌리고 불 때는 따뜻한 바람이 나오기 때문이다.

입술을 오므리고 불 때는 좁게 나온 입김이 밖으로 나오면서 주변에 넓게 퍼지도록 팽창한다. 그런데 입을 벌리고 불 때는 처음부터 입김이 넓게 나와서 팽창하는 정도가 작다. 즉, 입김이 입 밖으로 나오면서 팽창하면서 입김의 온도가 내려간다. 단열 팽창을 하는 경우에 주변으로부터 에너지를 얻고 팽창하는 것이 아니라 공기 내부에서 에너지를 얻고 팽창하므로 공기 내부의 온도가 내려간다. 온도가 이슬점 이하로 내려갈 때 공기 중의 수증기가 응결한다.

● 구름의 생성 과정

높은 산에 올라가면 구름이나 안개를 주변에서 보거나 구름과 안개 속에 있는 경우가 있다. 이것은 높은 산의 기온이 산 아래보다 낮기 때문이다. 공기가 높은 곳으로 이동하면 기온이 낮아지고 구름이나 안개가 형성되는 까닭은 무엇일까?

그림과 같이 구름은 높은 곳에서 공기 중의 수증기가 응결하여 물방울이나 빙정이 모여 있는 것이다. 공기 중의 수증기가 응결하려면 공기의 온도가 이슬점 이하로 내려가야 하고, 이슬점 이하로 내려가려면 공기가 상승해야 한다. 공기가 상승할 때 공기가 단열 팽창하는 데, 높이 올라갈수록 기압이 낮아지기 때문이다. 기온이 낮아져 포화 상태가 되어도 응결이 잘 일어나지 않는 경우가 있다. 이때 수증기의 응결이 일어나기 위해서는 응결을 도와주는 미세한 알갱이가 필요한데, 이것을 응결핵이라고 한다. 응결핵이 되는 물질로는 먼지, 연기, 소금 알갱이 등이 있다.

그림과 같이 공기가 상승하여 구름이 생성되는 경우는 저기압 주변으로 모여든 공기가 상승하는 경우, 산의 경사면을 따라 오르면서 공기가 상승하는 경우, 더운 공기와 찬 공기가 만날 때 더운 공기가 찬 공기를 타고 상승하는 경우, 지표의 일부가 가열될 때 공기가 상승하는 경우 등이 있다.

저기압 주변으로 공기가 모여들어 상승하는 경우는 모여든 공기가 상승하므로 주변보다 기압이 떨어지고 기업이 낮은 곳으로 공기가 모여드는 현상이라고 할 수 있다. 그래서 저기압인 지역에 비가 자주 내린다. 산의 경사면을 따라 공기가 상승하는 경우의 날씨는 공기가 상승하는 곳은 기온이 낮아져서 구름이 형성되고 비가 내리지만, 산 넘어 반대편으로 내려온 공기는 구름이 만들어진 후이므로 건조하고 다시 내려오므로 다시 기온이 높아진다. 큰 산맥을 사이에 두고 나타나는 이와 같은 현상을 푄현상이라고 한다. 우리나라는 동해안 지역의 태백산맥을 기준으로 푄현상이 자주 나타난다.

더운 공기가 찬 공기를 타고 올라가는 경우는 주로 우리나라 장마철에 나타난다. 장마철에 형성되는 장마전선은 고온 다습한 북태평양 기단과 한랭 습윤한 오호츠크 해 기단이 만나 형성하는 정체성이 강한 한대 전선을 말한다. 기단은 성질이 비슷한 공기가 모여 있는 부분이고 전선은 두 기단이 만나서 형성된다.

● 비행기가 지나갈 때 비행기의 뒷부분에 구름이 형성되는 까닭은 무엇인가?

(해설) 뜨거운 가스가 방출하면서 단열 팽창하여 공기 중의 수증기가 응결하기 때문이다. 단열 팽창은 입술을 모아 바람을 내는 경우와 비슷하다.

● 안개와 구름의 차이는 무엇일까?

(해설) 안개는 본질적으로 구름과 같지만 지면에 접해 있다는 점이 다르다. 지형에 따라 또는 관측자의 위치에 따라 구름이 되기도 하고 안개가 되기도 한다. 낮은 곳에서 볼 때 ‘산허리 감긴 구름’이라고 표현하지만 산에 올라가면 안개라고 표현한다. 공장 지대에 생기는 안개는 오염 물질이 응결핵이 되므로 다른 곳보다 안개가 많이 생긴다.

● 물방울의 모임인 구름이 하늘에 떠다니는 이유는?

(해설) 구름은 굴뚝에서 나오는 연기 같은 존재로 바람 따라 흘러 다니므로 떠다닐 수 있고 모양이 수시로 바뀐다. 솜사탕처럼 똘똘 뭉쳐있는 것이 아니다.

● 구름의 종류

구름은 구름의 모양과 형성된 높이를 기준으로 그 종류를 분류한다. 먼저 구름의 모양에 따라 층운과 적운으로 분류한다. 구름이 수평 방향으로 넓게 퍼져 층을 이루는 모양으로 발달한 것을 층운이라고 하고, 구름이 수직 방향으로 높이 발달한 모양을 갖는 것을 적운이라고 한다.

그리고 높이에 따라 상층운, 중층운, 하층운으로 분류한다. 상층운은 지표면에서 6km 이상의 높이에서 형성되는 구름으로 권(卷)자를 포함한 권운, 권층운, 권적운이 있다. 중층운은 지표면에서 2~6km 높이에서 발달하는 구름으로 고(高)자를 포함한 고층운, 고적운이 있다. 하층운은 지표에서 2km 사이에 형성되는 구름으로 층(層)자를 포함한 층운, 층적운, 난층운이 있다. 난층운은 오랜 시간 동안 비를 꾸준히 내리게 한다. 한편 수직으로 500m 이상 형성된 구름으로 적운과 적란운이 있다. 적란운은 빠른 속도로 성장하며, 번개와 천둥을 일으키고 소나기를 내리게 하는 구름이다.

● 비를 내리게 하는 구름은 어떤 구름인가?

(해설) 난층운과 적란운이다.

권운은 구름 중에서는 가장 높은 곳에 뜨는 구름이고, 솔로 덧칠한 것 같기도 하고 새하얀 얇은 갈고랑이 모양으로 괸 줄무늬가 있는 구름이다. 대부분은 빙정으로 구성되어 있어서 물방울로부터 만들어진 구름과는 달리 흐릿하게 보이는 윤곽이나 형태의 아름다움이 특징이다.

권층운은 하늘 가득히 우유를 얇게 흘린 것 같고, 희고 얇은 명주 면사포를 하늘 가득히 펼쳐 태양이나 달의 빛을 차단하고 있는 것 같은 구름이다. 이 구름이 끼면 태양이나 달의 주위에 햇무리나 달무리가 나타나는 것이 보통이다. 구름이 떠 있는 고도는 권운과 대체로 같고 역시 빙정으로 구성 되어 있다. 면사포 모양의 권층운이 시간과 더불어 권적운으로 바뀔 때 일기가 나빠질 수 있고, 권적운에서 권층운으로 바뀌는 경우에 날씨가 좋아질 수도 있다.

권적운은 구름 중에서도 가장 아름다운 구름이고 옛날부터 비늘구름, 조개구름 등으로 불리고 있다. 권운이나 권층운보다 약간 고도가 낮다. 형태는 둥그스레한 작은 덩어리 모양의 새하얀 구름이며, 빙정 또는 물방울로 구성되어 있고 대부분은 무리를 짓고 있다. 이 구름만이 단독으로 나타나는 일은 적고, 권운이나 권층운과 함께 불연속면에 나타나는 일이 많은 비가 오거나 바람이 불 조짐이 되는 구름이다.

고적운은 높쌘구름이라고도 하고, 2000∼7000m 높이에 나타난다. 작은 구름덩어리가 규칙적으로 늘어서거나 양떼와 같이 뭉쳐 있다. 주로 백색인데 일부는 암회색으로 보이기도 한다. 적운이나 적란운에서 고적운으로 변하며, 고적운은 또 권적운·고층운·난층운·층적운 등으로 변한다.

고층운은 높층구름이라고도 하며, 줄무늬를 이룬 베일 모양의 구름으로 옅은 회색 또는 옅은 흑색을 띤다. 2000∼5000 m 고도에서 나타나며, 하늘 전체를 덮는 경우가 많다. 해나 달을 완전히 가리기도 하나, 얇을 때는 윤곽이 희미하게 보인다. 고적운이나 적란운이 변해서 될 때가 많고, 고층운에서 권층운이나 난층운으로 변할 때도 많다. 이 구름에서 세찬 비는 내리지 않지만, 약한 비나 눈 등이 내린다. 이 구름을 통해서는 햇무리나 달무리 현상을 볼 수 없다. 또 구름의 입자를 물방울이라고 단정할 수 없다.

층운은 비교적 구름 밑면이 일정하고 상공 2000 m 미만에서 발생하는 하층구름을 말한다. 층운은 회색의 구름층으로 안개, 세빙, 가루눈이 내리기도 한다. 층운은 보통 지면이 가열되거나 풍속이 증가하여 안개의 층이 서서히 상승하여 발생한다. 또 해상에서 발생한 안개가 해안으로 진입하여 육지에 상륙해 층운이 되는 경우도 있다.

층적운은 상공 2000 m 미만에서 발생하는 하층구름을 말한다. 엷은 판의 둥글둥글한 덩어리 또는 로라모양의 운편들이 모여서 형성된 구름이며 색깔은 회색이고 엷은 검정색을 띤 부분도 있다. 이 구름은 하늘의 일부분만 가릴 정도의 소규모인 경우도 있으나 전 하늘에 퍼져 있는 경우도 있다. 구름조각은 서로 연결되어 있거나 띄엄띄엄 떨어져 있는 경우도 있다.

난층운은 우리말로 비구름이라고 하며, 보통 2000∼7000 m 고도에 나타나는 짙은 회색의 하층구름이다. 물방울과 얼음조각 또는 이들의 혼합으로 형성되어 있으며, 연속적인 비 또는 눈을 내리게 한다. 난층운은 모든 부분이 해를 완전히 가려버릴 만큼 두텁다. 낮은 조각구름이 이 구름 밑에 발생하는 경우가 많으며 이 편운은 위의 난층운과 연결되기도 한다. 난층운은 보통 넓은 기층이 서서히 상승될 때, 고층운이 두터워지거나 그 운저가 낮아져서, 층적운이나 고적운이 두터워져서, 적란운이 퍼져서 아주 드물게 발달한 적운이 퍼져 발생한다.

적운은 구름밑면은 약 1000 m, 구름꼭대기는 약 5000 m로서 거의 작은 물방울로 되어 있는 연직으로 발달하는 구름을 말한다. 적운은 윤곽이 뚜렷한 서로 떨어져 있는 농밀한 구름으로 수직으로 솟아올라서 둥근 산봉우리나 탑 또는 지붕모양을 하고 있다. 해에 비치는 부분은 매우 희고 밝게 빛나 보이며 구름밑면은 비교적 검은색이고 거의 수평을 이루고 있다.

적란운(쌘비구름)은 연직방향으로 크게 발달한 짙은 구름으로 거대한 탑이나 산과 같은 모양을 하고 있다. 적란운의 구름밑면은 대단히 어둡고 그 밑에 흩어져 있는 낮은 구름을 동반하는 수가 많다. 적란운은 물방울이나 작은 얼음 조각으로 되어 있으나 정상부는 작은 얼음 조각으로만 되어 있다. 적란운은 수평이나 연직방향으로 퍼진 범위가 대단히 넓기 때문에 가까운 데서 구름 전체의 특징을 관측하기는 어렵다. 적란운은 보통 천둥 번개, 폭우, 폭설, 우박 및 돌풍을 동반하는 경우가 많다. 적란운의 발생은 주로 적운이 크게 발달할 때 나타나며 고층운이나 난층운의 일부가 발달해서 적란운이 되는 경우도 있다.

● 비와 눈이 생기는 원인

하늘에 구름이 많다고 항상 비가 내리지는 않는다. 구름 방울이나 빙정(아주 작은 얼음 입자)들은 매우 작아 아래로 떨어지지 못하고 지표면의 안개와 같이 공기 중을 떠다닌다. 진공 상태라면 떨어지겠지만 공기와의 마찰 또는 공기의 흐름에 떠다닌다. 이와 같은 구름이 어떻게 비가 되고 눈이 되어 내릴까?

온대 지방과 한대지방의 구름 속에는 영하의 온도에서도 얼지 못한 액체 상태의 과냉각 물방울과 빙정(얼음 입자)이 섞여 있는 경우가 많다. 그림과 같이 과냉각 물방울들은 증발하면서 수증기를 공급하고, 이 수증기는 승화하면서 얼음 입자에 달라붙어 점점 커져서 눈으로 성장하게 된다. 성장한 눈이 떨어지다 따뜻한 공기층을 만나 녹으면 비가 되어 내리고, 녹지 못하면 눈으로 되어 내린다. 이러한 강수 과정을 빙정설이라고 한다.

과냉각 상태는 구름이나 안개 같은 대기 중의 작은 물방울이 0℃ 이하에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 것은 위와 같은 현상 때문이다. 구름 알갱이는 -10℃~0℃에서는 주로 과냉각물방울로, -20℃~-10℃에서는 과냉각물방울과 빙정이 섞인 상태로, -20℃ 이하에서는 거의 빙정으로 있다. 때로는 심할 경우 -40℃의 낮은 온도에서도 과냉각물방울이 관측되기도 한다.