수증기의 상태 변화와 구름

구름을 이루는 물방울은 반지름이 10 μm 안팎으로, 머리카락 굵기의 10분의 1도 안 된다. 이렇게 작은 물방울은 공기 저항 때문에 거의 떨어지지 않고 떠 있다. 비가 되려면 반지름 1 mm 정도로 커져야 하는데, 그러려면 물방울 하나가 100만 개 분량의 물을 모아야 한다. 그런데 여름의 소나기구름은 생긴 지 30분~1시간이면 비를 뿌린다. 수증기가 물방울 표면에 달라붙는 응결만으로 그렇게 빨리 자랄 수 있을까?

목표 반지름 (μm)

2.1.1응결핵과 응결 성장

공기가 이슬점까지 식어도 수증기는 깨끗한 공기 속에서 저절로 물방울이 되기 어렵다. 아주 작은 물방울은 표면이 심하게 굽어 있어 증발하기 쉽기 때문이다. 그래서 수증기는 바다 소금, 먼지, 황산염 같은 작은 입자 표면에 먼저 달라붙는다. 이런 입자를 응결핵이라 한다. 응결핵 둘레에 생긴 물방울은 둘레의 과포화된 수증기가 확산해 와 붙으며 자란다. 그런데 물방울이 클수록 표면적에 비해 부피가 빠르게 커지므로, 같은 양의 수증기가 붙어도 반지름은 조금씩만 늘어난다.

그림 1에서 목표 반지름을 바꾸어 보자. 응결만으로 반지름 10 μm까지는 약 2분이면 자란다. 그런데 100 μm까지는 약 3시간이 걸리고, 빗방울 크기인 1 mm까지는 \(10^{-6} \div 10^{-12} = 10^6\)초, 곧 열하루가 넘게 걸린다. 그러니 응결만으로는 구름이 30분 만에 비를 뿌리는 것을 설명할 수 없다. 물방울이 커지는 다른 방법이 필요하다.¹

2.1.2충돌 병합과 빙정 과정

따뜻한 구름에서는 물방울들이 서로 부딪쳐 합쳐지는 충돌 병합이 빗방울을 만든다. 조금 큰 물방울은 작은 물방울보다 빨리 떨어지면서 그 길에 있는 작은 물방울들을 쓸어 담는다. 커질수록 더 빨리 떨어지고 더 많이 쓸어 담아, 성장이 갈수록 빨라진다. 열대 바다의 소나기가 이렇게 생긴다. 차가운 구름에서는 빙정 과정이 중요하다. 0 °C 아래에서도 얼지 않은 과냉각 물방울과 얼음 알갱이가 섞여 있으면, 얼음에 대한 포화 수증기압이 물보다 낮아 수증기가 물방울에서 증발해 얼음 알갱이로 옮겨 간다. 얼음 알갱이가 빠르게 자라 눈송이가 되고, 떨어지다 녹으면 비가 된다. 중위도의 비는 대부분 이렇게 내린다.

2.1.3예제 풀이

부피는 반지름의 세제곱에 비례하므로 물방울 수는 \((1000 \div 10)^3 = 10^6\)개, 곧 100만 개이다.

응결만으로는 \(t = \dfrac{r^2 - r_0^2}{2GS} = \dfrac{(10^{-3})^2 - (10^{-6})^2}{2 \times 5 \times 10^{-13}} \approx 10^6\)초, 곧 약 11.6일이 걸린다. 소나기구름의 수명보다 약 280배 길다. 따라서 따뜻한 구름의 비는 응결만이 아니라 충돌 병합으로, 차가운 구름의 비는 빙정 과정으로 빠르게 만들어져야 한다. 그래서 인공 강우는 구름에 아이오딘화 은 같은 빙정핵이나 큰 소금 입자를 뿌려, 빙정 과정이나 충돌 병합이 잘 일어나도록 돕는다.

아래 탐구 카드에서 안개와 구름이 생기는 조건을 비교하고, 구름 물방울이 빗방울로 자라는 길을 따라가 보자.

1. 구름 1 m³ 속에는 물방울이 1억 개 안팎 들어 있지만, 모두 합쳐도 물은 0.5 g 남짓이다. 그래도 넓이 1 km², 두께 1 km인 구름이면 물이 500 t에 이른다.