나뭇잎 교과서

대기 안정도와 구름·강수

공기 덩어리가 올라가면 팽창하며 식고, 이슬점에 이르면 구름이 생깁니다. 주변 공기보다 따뜻하면 계속 올라가고 차가우면 되돌아옵니다. 이 차이가 맑은 하늘과 소나기구름을 가릅니다.

본문

대기 안정도와 구름·강수

본문

여름 오후에는 하얀 뭉게구름이 하늘 높이 솟아오르다가 소나기를 쏟는다. 그런데 어떤 날은 구름이 납작하게 깔리기만 하고 비는 오지 않는다. 지표에서 데워진 공기 덩어리가 떠오르는 것은 같은데, 어떤 날은 높이 올라가고 어떤 날은 곧 멈춘다. 공기 덩어리는 무엇에 따라 계속 올라가거나 멈출까? 그리고 구름 바닥의 높이는 어떻게 정해질까?

그림 1. 지표 기온 25 °C에서 떠오르는 공기 덩어리(파랑)와 주변 공기(주황)의 기온. 공기 덩어리는 구름이 생기기 전 1 km에 10 °C, 생긴 뒤 약 5 °C씩 식는다. 주변보다 따뜻하면 계속 떠오르고, 차가우면 되돌아간다.
먼저 알아야 할 것단열 팽창과 단열 압축(역학과 에너지), 포화 수증기량과 이슬점(지구과학), 부력, 지구의 열수지(지구의 열수지).

3.3.1단열 감률

공기 덩어리가 떠오르면 주변 기압이 낮아져 팽창한다. 열을 주고받지 않고 팽창하면 그만큼 일을 하므로 온도가 내려간다. 수증기가 포화되기 전에는 1 km 올라갈 때마다 약 10 °C씩 식는데, 이를 건조 단열 감률이라 한다. 포화되어 구름이 생긴 뒤에는 수증기가 응결하며 숨은열을 내놓아 덜 식는다. 이를 습윤 단열 감률이라 하며 약 5 °C/km이다.

정리 3.3.1 대기 안정도

주변 공기의 기온 감률을 \(\Gamma\)라 하면, \(\Gamma\)가 습윤 단열 감률보다 작으면 절대 안정, 건조 단열 감률보다 크면 절대 불안정, 그 사이이면 조건부 불안정이다. 공기 덩어리는 주변보다 따뜻하면 부력으로 계속 떠오르고, 차가우면 다시 가라앉는다.

그림 1에서 주변 기온 감률을 바꾸어 보자. 4 °C/km이면 공기 덩어리가 어디서나 주변보다 차가워 곧 되돌아간다. 이런 날은 구름이 옆으로 퍼진 층운이 된다. 6.5 °C/km이면 구름이 생기기 전에는 주변보다 차갑지만, 구름이 생긴 뒤 천천히 식으므로 어느 높이부터 주변보다 따뜻해져 높이 솟는다. 그래서 여름 오후 지표가 뜨거워지면 적운이 높이 자라 소나기를 뿌린다.1

3.3.2구름 바닥의 높이

공기 덩어리가 떠오르면 기온은 1 km에 10 °C, 이슬점은 약 2 °C씩 내려간다. 둘의 차가 1 km에 8 °C씩 줄어들어 같아지는 높이에서 포화되어 구름이 생긴다. 그래서 구름 바닥의 높이는 대략 \(125 \times (T - T_d)\) m이다. 지표 공기가 건조하여 기온과 이슬점의 차가 클수록 구름 바닥이 높다.

주변 기온 감률안정도구름 5 °C/km보다 작음절대 안정층운, 안개 5~10 °C/km조건부 불안정포화되면 적운 10 °C/km보다 큼절대 불안정강한 상승, 적란운
그림 2. 주변 기온 감률과 단열 감률의 비교로 대기의 안정도를 판단한다.

3.3.3예제 풀이

예제 3.3.2

지표의 기온이 25 °C, 이슬점이 17 °C이다. 공기 덩어리가 떠오를 때 구름 바닥의 높이와 그 높이에서의 기온을 구하여라. 구름이 생긴 뒤 습윤 단열 감률 5 °C/km로 식고 주변 기온 감률이 6.5 °C/km라면, 높이 4 km에서 공기 덩어리와 주변의 기온은 각각 얼마이며 공기 덩어리는 계속 떠오르는가?

구름 바닥은 \(125 \times (25 - 17) = 1000\) m이고, 그 높이에서 공기 덩어리의 기온은 \(25 - 10 = 15\) °C이다.

4 km에서 공기 덩어리는 구름 바닥 위로 3 km를 더 올라 \(15 - 5 \times 3 = 0\) °C이다. 주변은 \(25 - 6.5 \times 4 = -1\) °C이다. 공기 덩어리가 1 °C 더 따뜻하므로 부력을 받아 계속 떠오른다. 즉 지표에서 1~3 km까지는 억지로 밀어 올려야 했던 공기도, 일단 구름이 생겨 충분히 올라가면 스스로 떠올라 높은 적란운이 될 수 있다. 그래서 조건부 불안정한 날은 작은 상승 계기만 있어도 소나기가 쏟아진다.

아래 탐구 카드에서 고기압 아래 날씨가 맑은 까닭, 떠오른 공기 덩어리의 높이, 구름 속 물방울이 빗방울이 되는 과정, 여름 오후의 뇌우를 살펴보자.

  1. 밤에 지표가 식어 아래가 차갑고 위가 따뜻한 기온 역전층이 생기면 대기가 매우 안정해진다. 이때 오염 물질이 위로 흩어지지 못해 지표 근처에 쌓인다.
마무리

떠오르는 공기 덩어리는 포화 전 1 km에 약 10 °C, 포화 뒤 약 5 °C씩 식으며, 주변 공기의 기온 감률과 비교하여 대기의 안정도가 정해진다. 구름 바닥은 기온과 이슬점의 차의 약 125배 높이에 생긴다. 그래서 처음 질문의 공기 덩어리는 주변보다 따뜻한 동안 계속 올라가고, 주변보다 차가워지는 높이에서 멈춘다.

탐구 1

고기압 아래에서는 왜 날씨가 맑을까?

단열 변화 · 상승 응결 고도

공기 덩어리의 기온 이슬점

구름 밑면 높이
—
5 km에서 기온
—
지표 상대 습도
—

건조 단열 감률 10 °C/km, 습윤 단열 감률 5 °C/km(근사), 이슬점 감률 2 °C/km를 썼다. 상대 습도는 포화 수증기압 근사식(마그누스 식)으로 계산했다.

  1. 질문일기 예보에서 “고기압의 영향으로 맑겠습니다”라는 말을 자주 듣는다. 기압이 높은 것과 구름이 없는 것은 어떻게 이어질까?
  2. 복원공기가 올라가면 주위 기압이 낮아져 부피가 커지고, 그 일에 에너지를 써서 식는다(단열 팽창). 반대로 내려오면 압축되어 따뜻해진다(단열 압축).
  3. 설명저기압 중심으로 모여든 공기는 갈 곳이 위뿐이라 상승한다. 오르며 식다가 기온이 이슬점에 닿으면 수증기가 응결해 구름이 되며, 이 높이를 상승 응결 고도라고 하고 대략 125 × (기온 − 이슬점) m이다.
  4. 연결반면 고기압에서는 공기가 지표에서 밖으로 퍼져 나가고, 그 빈자리를 상공의 공기가 내려와 채운다. 내려오는 공기는 1 km마다 약 10 °C씩 데워지지만 이슬점은 약 2 °C만 올라 둘의 차이가 벌어지므로, 상대 습도가 떨어지고 구름은 증발한다.
  5. 적용상승 기류에서 이슬점을 기온에 가깝게 올리며 구름 밑면이 어떻게 바뀌는지 보자. 그다음 하강 기류로 바꾸고, 3 km 높이의 구름 속 공기(기온 = 이슬점)가 지표까지 내려오면 상대 습도가 얼마가 되는지 확인해 보자.
  6. 판단고기압이라고 늘 맑지는 않다. 겨울 시베리아 고기압에서 나온 찬 공기가 따뜻한 서해를 건너면 아래에서 수증기와 열을 받아 눈구름이 생기기 때문이다. 즉 ‘고기압이면 맑다’는 하강 기류가 지배할 때의 이야기이고, 이 그래프의 감률은 교과서에서 쓰는 근사값이다.

확인조건이 달라지면

지표의 기온이 30 °C, 이슬점이 14 °C인 공기가 산을 타고 올라간다. 구름 밑면은 대략 몇 m 높이에 생길까?

탐구 2

떠오른 공기 덩어리는 어디까지 올라갈까?

단열 변화와 대기 안정도 · 구름의 생성
대기 상태
—
구름 밑면 (상승 응결 고도)
—
구름
—

건조 단열 감률은 10 °C/km이고, 습윤 단열 감률은 기온에 따라 약 4 °C/km(따뜻할 때)에서 9 °C/km(추울 때)까지 바뀌도록 근사했다. 높이 11 km 위는 기온이 일정한 성층권으로 두었고, 공기 덩어리의 이슬점은 상승할 때 약 2 °C/km씩 내려가므로 구름 밑면 높이는 약 125 m × (기온 − 이슬점)이다.

  1. 질문어떤 날은 하늘이 온통 얇은 구름으로 덮이고, 어떤 날은 솜사탕 같은 구름이 솟아올라 소나기를 뿌린다. 공기 덩어리가 떠오르는 높이는 무엇이 정할까?
  2. 복원공기가 상승하면 기압이 낮아져 팽창하고, 주변과 열을 주고받지 않아도 온도가 내려간다(단열 팽창). 그리고 공기가 이슬점까지 식으면 수증기가 응결한다(지구과학).
  3. 설명불포화 공기는 100 m 오를 때마다 약 1 °C씩 식고(건조 단열 감률), 포화된 뒤에는 응결하며 숨은열이 나와 약 0.5 °C씩만 식는다(습윤 단열 감률). 떠오른 공기 덩어리가 주변보다 따뜻하면 가벼워서 계속 오르고(불안정), 차가우면 제자리로 돌아온다(안정). 그래서 주변 기온 감률이 습윤 단열 감률보다 작으면 절대 안정, 건조 단열 감률보다 크면 절대 불안정, 그 사이면 공기가 포화되었는지에 따라 달라지는 조건부 불안정이다.
  4. 연결불안정한 대기에서는 공기가 스스로 높이 솟아 적운형 구름(적운, 적란운)과 소나기가 생기고, 안정한 대기에서 전선이나 산을 따라 억지로 올라간 공기는 옆으로 넓게 퍼진 층운형 구름을 만든다. 또 지표 근처가 식어 이슬점에 이르면 안개가 생기는데, 밤에 지표가 복사로 식어 생기는 복사 안개, 따뜻한 공기가 찬 바다 위로 지나며 생기는 이류 안개 등이 있다. 구름 속 작은 물방울이 빗방울로 자라는 과정은 다음 읽기에서 다룬다.
  5. 적용기온 감률을 4, 7, 11 °C/km로 바꾸며 구름 꼭대기가 어떻게 달라지는지 보자. 그리고 여름 오후 지표 기온이 오르면(이슬점은 그대로) 구름 밑면과 꼭대기가 어떻게 되는지, 기온과 이슬점이 같아지면 무엇이 생기는지 확인해 보자.
  6. 판단이 모델은 공기 덩어리가 주변과 섞이지 않는다고 가정한다. 그런데 실제 구름은 주변의 건조한 공기를 빨아들여(유입) 이 계산보다 낮게 자라는 경우가 많다. 또 실제 대기의 기온 감률은 높이마다 달라서, 기상청은 라디오존데로 측정한 높이별 기온으로 안정도를 판단한다.

확인조건이 달라지면

주변 공기의 기온 감률이 7 °C/km인 날, 지표의 공기 덩어리가 강제로 들어 올려졌다. 옳은 것은?

읽기 3

구름 속 작은 물방울은 어떻게 빗방울이 될까?

읽기 · 강수 과정 (병합설과 빙정설)

구름 방울의 지름은 약 0.02 mm이고 빗방울은 약 2 mm이다. 지름이 100배이니 부피는 100만 배이고, 응결만으로는 이만큼 자라는 데 너무 오래 걸린다. 구름 방울은 어떻게 빠르게 빗방울이 될까?

병합설 (따뜻한 비)빙정설 (찬 비)
일어나는 구름구름 전체가 0 °C보다 따뜻한 구름, 주로 저위도(열대)위쪽이 0 °C보다 찬 구름, 주로 중·고위도
과정크기가 다른 물방울은 떨어지는 속도가 달라 서로 부딪쳐 합쳐지고(병합), 큰 물방울일수록 더 빨리 떨어지며 작은 물방울을 모아 빗방울로 자람−10~−20 °C 구름에는 얼음 알갱이(빙정)와 얼지 않은 물방울(과냉각 물방울)이 함께 있음. 빙정 쪽의 포화 수증기압이 더 낮아, 물방울이 증발한 수증기가 빙정에 달라붙어 빙정이 빠르게 자람 → 떨어지며 녹으면 비, 녹지 않으면 눈
핵심 조건크기가 서로 다른 물방울, 두꺼운 구름빙정과 과냉각 물방울의 공존
기온물 위의 포화 수증기압얼음 위의 포화 수증기압
0 °C6.11 hPa6.11 hPa
−10 °C2.86 hPa2.60 hPa
−20 °C1.25 hPa1.03 hPa

표에서 −10 °C의 공기가 물에 대해 막 포화되었다면(2.86 hPa), 얼음에 대해서는 약 110 % 과포화이다. 그래서 수증기는 계속 빙정 쪽으로 옮겨 가고, 인공 강우는 이 원리를 이용해 요오드화 은이나 드라이아이스를 구름에 뿌려 빙정이 생기게 한다.

판단두 이론은 서로 배타적이지 않아서, 중위도의 큰 적란운에서는 윗부분에서 빙정 과정이, 아랫부분에서 병합 과정이 함께 일어난다. 그래서 비가 모두 얼음에서 시작한다거나 열대의 비도 빙정설로 설명된다는 것은 지나친 일반화이다.

확인조건이 달라지면

−15 °C 구름 속에 과냉각 물방울만 있고 빙정이 전혀 없다면 어떻게 될까?

탐구 4

뇌우는 왜 여름 오후에 잘 생길까?

대기의 안정도 · 적란운

주변 공기 떠오르는 공기 덩어리

구름 밑면
—
구름 꼭대기
—
판정
—

공기 덩어리는 구름 밑면까지 10 °C/km, 그 위로 5 °C/km(근사)씩 식는다. 주변 공기는 대류권 계면(12 km) 위에서 더 식지 않는다고 두었다.

  1. 질문아침에는 맑던 여름 하늘에 오후가 되면 뭉게구름이 솟고, 곧 천둥 번개와 소나기가 쏟아진다. 왜 하필 오후일까?
  2. 복원공기 덩어리는 주변 공기보다 따뜻하면(가벼우면) 떠오르고, 차가우면 가라앉는다. 그리고 올라가는 공기는 단열 팽창으로 식는다.
  3. 설명한낮의 햇빛이 지면을 데우면 지면 가까운 공기가 주변보다 따뜻해져 떠오른다. 응결이 시작되면 숨은열이 나와 덜 식으므로, 주변 공기가 높이에 따라 빨리 식는 날에는 공기 덩어리가 계속 주변보다 따뜻해 대류권 꼭대기까지 솟는다. 이렇게 자란 구름이 적란운, 곧 뇌우의 구름이다.
  4. 연결적란운 안에서는 강한 상승 기류와 하강 기류가 함께 나타나 번개, 천둥, 우박, 돌풍, 국지성 호우가 생긴다. 뇌우는 적운 단계에서 성숙 단계를 거쳐 소멸 단계에 이르며, 보통 한 시간 안팎 지속된다.
  5. 적용‘건조한 봄날’, ‘습한 여름 오후’, ‘안정한 대기’를 비교해 보자. 그리고 구름이 생기지 않는 경우, 작은 적운에 그치는 경우, 적란운으로 자라는 경우를 가르는 조건이 각각 무엇인지 정리해 보자.
  6. 판단실제 대기에서 습윤 단열 감률은 기온과 높이에 따라 달라지고, 공기 덩어리는 주변 공기와 섞이므로 이 그림은 판단의 원리만 보이는 모식이다. 한편 번개가 친 뒤 천둥이 들릴 때까지의 초에 약 340 m를 곱하면 거리가 되어, 3초면 약 1 km이다. 그래서 천둥이 들리면 이미 낙뢰 범위 안이니 건물이나 차 안으로 피하고, 마지막 천둥 뒤 30분은 기다린다.

확인조건이 달라지면

높이 올라갈수록 기온이 오히려 오르는 층(기온 역전층)이 지면 가까이에 있는 겨울 아침이다. 뇌우가 생기기 쉬울까?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기18문항 수능·모의평가·학력평가기출문제 풀어보기93문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기