혼합비·비습과 수증기량

해수면에서 기온 25 °C, 상대 습도 70%인 공기가 산비탈을 타고 올라간다. 올라갈수록 기압이 낮아지고 공기가 팽창해 식는다. 850 hPa 높이에서 15 °C가 되었을 때 습도계는 100%를 가리켰다. 그렇다면 공기 속 수증기가 늘어난 것일까? 상대 습도는 기온과 기압이 바뀌면 함께 바뀌어, 공기 덩어리가 실제로 수증기를 얼마나 품고 있는지 따라가기 어렵다. 기온이나 기압이 바뀌어도 변하지 않는 수증기의 양은 어떻게 나타낼까?

2.1.1바뀌는 습도, 바뀌지 않는 양

상대 습도는 지금의 수증기압을 그 기온의 포화 수증기압으로 나눈 값이다. 포화 수증기압은 기온에 따라 크게 바뀌므로, 공기 속 수증기의 양이 그대로여도 기온이 내려가면 상대 습도가 올라간다. 수증기압도 공기 덩어리가 팽창하면 함께 줄어든다. 그래서 공기 덩어리를 따라가며 수증기의 양을 다루려면, 수증기의 질량을 마른 공기의 질량으로 나눈 혼합비나 습윤 공기 전체의 질량으로 나눈 비습을 쓴다. 공기 덩어리가 팽창하거나 압축되어도 질량은 그대로이므로, 응결이나 증발이 없는 한 혼합비와 비습은 변하지 않는다.

해수면 25 °C에서 포화 수증기압은 31.7 hPa이므로 상대 습도 70%의 수증기압은 22.2 hPa이고, 혼합비는 약 14.1 g/kg이다. 공기 1 kg마다 수증기가 14.1 g 들어 있다는 뜻이다. 이 공기가 올라가 기압이 850 hPa로 낮아지면 같은 혼합비에서 수증기압은 18.8 hPa로 준다. 그런데 15 °C의 포화 수증기압은 17.0 hPa이어서, 공기는 이미 포화를 넘어 수증기 일부가 응결해야 한다.¹

2.1.2응결하면 줄어든다

포화를 넘은 수증기는 응결하여 구름 방울이 되고 비로 떨어질 수 있다. 그러면 공기에 남는 혼합비가 줄어든다. 공기가 산을 넘어 반대쪽으로 내려오면 압축되어 데워지지만, 비로 잃은 수증기는 돌아오지 않는다. 그래서 산 너머로 내려온 공기는 처음보다 혼합비가 작고 기온은 높아 건조하고 따뜻하다. 이것이 높새바람 같은 푄 현상이다. 혼합비를 따라가면 공기 덩어리가 산을 넘으며 수증기를 얼마나 잃었는지 셀 수 있다.

2.1.3예제 풀이

\(e = 0.70 \times 31.7 \approx 22.2\) hPa이므로 \(w = 622 \times 22.2/(1000 - 22.2) \approx 14.1\) g/kg이다. 850 hPa, 15 °C에서 포화되면 \(e = 17.0\) hPa이고, 그때의 혼합비는 \(622 \times 17.0/(850 - 17.0) \approx 12.7\) g/kg이다.

따라서 공기 1 kg마다 \(14.1 - 12.7 = 1.4\) g의 수증기가 응결한다. 이 공기가 이 높이에서 포화가 된 것은 수증기가 늘어서가 아니라 식어서 포화 수증기압이 줄었기 때문이다. 즉 혼합비는 응결이나 증발이 없는 한 보존되는 수증기의 양이어서, 공기 덩어리가 오르내리는 동안 얼마나 응결했는지를 셀 수 있게 해 준다.

아래 탐구 카드에서 기온과 기압을 바꾸며 상대 습도와 혼합비가 어떻게 달라지는지 계산해 보자.

1. 포화 수증기압은 기온이 10 °C 오를 때마다 약 두 배가 된다. 그래서 지구가 더워지면 공기가 품을 수 있는 수증기가 늘어나, 한 번에 내리는 비의 양이 많아지는 경향이 있다.