기온·이슬점 분포와 대기 안정도

맑은 겨울 아침, 공장 굴뚝의 연기가 몇십 m 올라가다 멈추더니 납작하게 옆으로 퍼져 도시를 뿌옇게 덮었다. 같은 굴뚝의 연기가 여름 오후에는 높이 솟아 흩어졌다. 두 시각에 띄운 라디오존데 자료를 보니, 여름 오후에는 위로 갈수록 기온이 빠르게 낮아졌고, 겨울 아침에는 지표에서 300 m까지 오히려 기온이 올라갔다. 높이에 따른 기온의 변화가 연기의 움직임을 어떻게 정할까?

2.3.1밀어 올린 공기가 돌아올까

대기의 안정도는 공기 덩어리를 조금 들어 올렸을 때 어떻게 되는지로 판단한다. 들어 올린 덩어리는 단열 팽창으로 1 km에 약 10 °C씩 식는다. 주변 공기가 이보다 천천히 식는다면, 올라간 덩어리는 주변보다 차갑고 무거워 원래 자리로 내려온다. 이것이 안정한 대기이다. 주변 공기가 이보다 빨리 식는다면, 덩어리가 주변보다 따뜻하고 가벼워 계속 떠오른다. 이것이 불안정한 대기이다. 그래서 안정도는 주변 공기의 기온 감률과 단열 감률을 비교해 정한다.

여름 오후에는 햇볕에 지표가 데워져 아래쪽 공기가 뜨거워지므로 기온 감률이 커진다. 그래서 대기가 불안정해 연기와 공기가 활발히 섞이고 적운이 자란다. 맑은 겨울밤에는 지표가 열을 빨리 잃어 바닥 공기가 위의 공기보다 차가워지는 역전층이 생긴다. 역전층에서는 들어 올린 연기가 주변보다 훨씬 차가워 곧 내려오므로, 연기는 더 오르지 못하고 옆으로 퍼진다.¹

2.3.2이슬점도 함께 본다

조건부 불안정한 대기는 공기가 포화되지 않았을 때는 안정하지만, 포화되면 응결열 때문에 덩어리가 천천히 식어 불안정해진다. 그래서 기온만이 아니라 이슬점의 분포도 함께 보아야 한다. 아래쪽 공기가 습해 이슬점이 기온에 가까우면, 조금만 들어 올려도 포화되어 소나기구름이 솟을 수 있다. 위쪽이 건조하면 구름이 생겨도 크게 자라지 못한다.

2.3.3예제 풀이

여름 오후는 1000 m에서 \(32 - 22.5 = 9.5\) °C 낮아져 \(\gamma = 9.5\) °C/km로, 건조 단열 감률에 가까운 거의 중립에서 조건부 불안정이다. 겨울 아침은 0 m에서 300 m까지 \(-5\) °C에서 \(-1\) °C로 4 °C 높아지는 역전층이어서 매우 안정하다.

굴뚝에서 −3 °C로 나온 연기는 100 m 오르면 약 1 °C 식어 −4 °C가 된다. 그 높이의 주변 기온은 역전층에서 약 \(-5 + 4 \times 100/300 \approx -3.7\) °C이므로, 연기가 이미 더 차가워 더 오르지 못하고 100 m 안팎에서 멈춘다. 그래서 연기와 미세먼지가 지표 가까이에 갇혀 도시를 덮는다. 해가 떠 지표가 데워지면 역전층이 깨지며 갇혔던 연기가 흩어진다. 즉 높이에 따른 기온의 분포를 단열 감률과 비교하면 공기가 위로 섞일지 아래에 갇힐지 알 수 있다.

아래 탐구 카드에서 여름 오후와 겨울 아침의 라디오존데 자료로 기온 감률을 구하고 대기 안정도를 비교해 보자.

1. 1952년 12월 런던에서는 강한 역전층 아래에 석탄 연기가 닷새 동안 갇혀 수천 명이 목숨을 잃었다. 이 런던 스모그 사건 뒤 영국은 1956년 대기 청정법을 만들어 도시에서 석탄 연료를 제한했다.