여름이 시작되는 6월은 구름 하늘이 아름다운 계절이다. 구름의 형태를 보면 기상변화를 대략 짐작할 수 있다.
질문 1. 여름 하늘에는 왜 구름이 더 많은가?
여름에는 기온이 다른 계절보다 높기 때문에 바다 호수 지면에서 증발하는 수분의 양이 폭증한다. 동시에 뜨거워진 공기는 빠르게 상승한다. 고공에 오른 수증기는 도중에 냉각되면서 응결하여 미세한 물방울이 되고, 기온이 낮으면 얼음 결정(빙정)이 되면서 다양한 형태의 구름을 만들게 된다.
질문 2. 구름을 형성하는 물방울 입자는 얼마나 작은가?
구름에는 액체 상태의 물이나 고체(얼음) 입자들이 대규모로 집합되어 있다. 구름의 물방울 입자 크기는 20μm(1,000분의 20mm), 즉 빗방울 크기(보통 1-2mm, 최대 5mm)의 약 1,000분의 1 정도이다. 이런 미세한 입자는 가볍기 때문에 상승기류와 함께 공중으로 올라가 공중에 뜬 상태로 있게 된다.
질문 3. 구름의 수증기는 왜 큰 에너지를 갖고 있나?
마당에 물을 뿌리면 주변이 시원해지는 이유는 액체 상태의 물 분자가 주변의 열(에너지)을 흡수하기 때문이다. 바다나 지상에서 태양의 에너지를 얻어 물이 증발하면 물 분자는 많은 에너지를 가진 상태로 상승하게 된다. 그러므로 ‘증발’이란 액체 상태의 물 분자가 에너지를 얻어 기체 상태의 분자로 변하는 현상이라 할 수 있다.
질문 4. 무색의 수증기로 이루어진 구름인데 왜 눈에 흰색으로 보이나 ?
대기 중의 수증기는 눈에 보이지 않는다. 그러나 수증기가 응축하면 작은 물방울이 되어 눈에 보이게 된다. 추운 곳에서 숨을 쉴 때 나오는 입김이 눈에 보이는 이유이기도 하다. 입김이나 구름의 작은 물방울은 빛을 사방으로 산란한다. 그 결과 모든 파장의 색이 혼합되어 반사되기 때문에 인간의 눈에는 흰색으로 보이게 된다.
질문 5. 중력은 왜 구름을 땅으로 끌어내리지 못하나?
중력은 구름의 물방울을 끌어당기고 있지만, 미세한 물방울 입자들은 상승하는 따듯한 공기에 의해 위쪽으로 떠밀리고 있어 내려오지 않는다. 그래서 수백 톤의 물방울을 가진 구름이라도 그 무게는 수만 분의 1g에 불과하다.
질문 6. 구름은 얼마나 높이 올라갈 수 있나?
기상 상황에 따라 구름은 12,200m 높이까지 올라가기도 한다. 이런 고공의 평균 기온은 -5 ~ -7℃이므로 이곳의 작은 물방울은 빙정 상태로 있다. 일반 여객기는 보통 9,000~13,000m 상공을 순항한다. 이 고도는 번개가 치는 구름도 거의 없고 기상변화가 심하지 않으므로 쾌적하게 비행할 수 있다. 동시에 이런 고도는 공기가 희박하여 비행할 때 공기저항이 적어 연료가 절약되기도 한다.
질문 7. 구름의 종류는 얼마나 많은가?
세상에는 구름처럼 모습이 다양하고 변화가 심한 것은 없을 것이다. 구름은 이런저런 형태가 혼합되어 있기 때문에 정확하게 구분하기 불가능하지만, 일반적으로 구름이 형성되는 높이와 모습에 따라 10여 가지 이름으로 구별하고 있다. 높이에 따라서는 하층운, 중층운, 상층운 그리고 지면에서 고공까지 수직으로 이어진 구름으로 나누고, 형태에 따라서는 솜사탕을 얇게 펼친 모습(권운卷雲, 깃털구름), 밑바닥이 수평이면서 층을 이룬 층운(層雲), 밑바닥은 평평하고 꼭대기는 솜덩이처럼 둥글둥글한 구름은 적운(積雲)이라 한다.
구름의 형태는 워낙 다양하고 빠르게 변하기 때문에 전문 기상학자가 아니면 구름의 상태를 바르게 인식하기 어렵다. 그러나 가장 일반적인 구름의 형태를 대략 알아보자.
안개구름 : 지상에서 형성되어 지면에 붙어있는 구름이 안개이다. 안개는 지면의 습도가 포화상태(100%), 즉 공기 중에 더 수증기를 포함할 수 없는 상태가 되었을 때, 여분의 수증기가 서로 붙어 형성된 구름이다.
층운(層雲) : 층운을 뜻하는 영어 stratus는 층(layer)을 뜻하는 라틴어이다. 층운은 지상에서 수백m 정도의 낮은 높이에 형성된 구름이며, 모습은 대개 밑바닥이 편편한 편이다. 안개구름은 층운의 일종이다.
적운(積雲) : 여름에는 수평선나 지평선 위로 거대한 구름이 마치 자기 머리 위로 덮어올 듯이 피어오르는 적운의 모습을 자주 본다. 적운이 거대하게 보이는 이유는 거리가 2km 정도로 가깝기 때문이다. 그리고 구름이 빠르게 솟아오르고 변하는 것은 그곳에서 더운 공기가 상승하고 있기 때문이다.
권운(卷雲 cirrus) : 매우 높은 고도에 형성된 솜사탕처럼 보이는 흰 구름이 권운이다. 권운은 대형 여객기가 비행하는 9,100m 이상 높은 하늘에 형성된 구름이므로, 권운 속의 물은 전부 빙정 상태에 있다.
권층운 : 층운과 권운이 혼합된 형태의 구름을 권층운(cirrostratus)이라 한다. 빙정으로 형성된 그들의 모습은 전체적으로 희미하여 선명하게 보이지 않으며, 권층운 속에 해무리가 형성되기도 한다. 층적운(積層雲) : 적층운(stratocumulus)이라 부르는 구름은 뭉게구름 같으면서 아래 부분이 회색빛으로 보이는 두꺼운 구름이다.
질문 8. 밤에 보이는 구름(야광운)은 어떤 것인가?
구름 중에는 자주 보기 어려운 종류가 있다. 대표적인 것이 밤에 보이는 야광운(noctilucent cloud)이다. 이 구름은 76,000~85,000m 고공에 형성되어 있기 때문에, 지상은 밤이지만 그곳에는 태양이 비치고 있어 눈에 보이는 구름이다.
질문 9. 이 정도 고공까지 지상의 수증기가 올라갈 수 없는데 어떻게 야광운이 생기나?
운석이 지구에 떨어질 때 대기층 상부에서 연소하면 입자들이 연기처럼 고공에 흩어진다. 이 입자 주변에 고공의 물 입자가 응결하면 구름 형태가 된다. 이런 야광운은 희미하고 푸른색이다.
질문 10. 대형 산불이 났을 때 그 위에 형성되는 구름은 어떤 구름인가?
화재적란운(pyrocumulonimbus)이라 불리는 구름 역시 특별한 구름의 하나이다. 연기구름이라고도 말하는 이 구름은 엄청난 산불이 발생했을 때, 뜨거운 열기와 연기가 빠르게 상승하면서 소용돌이 형태로 형성된 구름이다. 번개가 치기도 하는 이런 구름은 들불 토네이도(fire tornado)라 말하기도 한다
질문 11. 폭우는 어떤 구름에서 쏟아져 내리나?
장마철과 태풍의 계절이 오면 번개와 함께 폭우가 내려 피해를 준다. 이런 폭우는 회색의 거대한 적란운(strato nimbus 뇌운)에서 주로 내린다. 적란운은 지상에서 피어오른 뭉게구름(적운)에서 시작된다.
적운의 높이가 점점 상승하여 16,000m 정도의 높이에 오르면, 구름의 상층부는 빙정이고, 아래 부분은 물방울로 이루어진 적란운이 된다. 태풍이나 폭우의 구름은 적란운과 권층운 등 여러 종류의 구름이 모여 거대한 소용돌이 구조를 이룬 것이다.
질문 12. 우박은 어떤 구름에서 쏟아지나?
폭우가 내릴 때 번개가 치는 구름은 적란운이다. 적란운 상부의 빙정이 무거워져 아래로 내려오면 물망울과 합쳐진다. 물에 젖은 빙정이 상승기류의 영향으로 오르내리면, 빙정 입자가 점점 확대되어 우박 상태로 떨어지게 된다. 우박 중에는 야구공보다 더 큰 것도 있다.
질문 13. 토네이도는 왜 발생하나?
번개와 비를 동반한 적란운의 규모가 너무 커지면 지상에서부터 고공까지 거대한 회오리바람이 형성된다. 엄청난 풍속을 가진 소용돌이 구름(토네이도)은 빠르게 이동하면서 피해를 준다. 토네이도의 중심부를 기상학에서 슈퍼셀(supercell)이라 부른다.
질문 14. 토네이도는 언제 왜 멈추게 되나?
큰 에너지를 가진 토네이도가 난폭하게 이동하면서 비를 쏟는 사이에 그들이 가진 에너지는 소모된다. 이때가 토네이도의 강풍이 멈추는 순간이다.
질문 15. 구름에서 어떤 경우에 비가 내리게 되나?
구름 속에 담긴 수증기의 양이 너무 많아지면 수증기 입자들이 서로 합쳐 큰 물방울을 형성하게 된다. 물방울이 무거워지면 중력에 끌려 비가 된다. 겨울이라면 작은 물방울 입자들은 빙정을 형성하여 눈으로 내리게 된다.
질문 16. 빗방울이 낙하하는 속도는?
빗방울이 지상으로 떨어지는 속도는 빗방울 크기에 따라 다소 다르지만 평균 초속 10m 정도이고, 설편의 낙하 속도는 초속 0.4-1.8m이다. 4,000m 높이의 구름에서 떨어지는 빗방울이 땅에 떨어지기까지에는 약 400초 걸린다. 빗방울이 떨어지는 빠르기는 우산 없이 맞아도 안전한 속도이다.
Science Wave에서 더 알아보기
구독을 신청하면 최신 게시물을 이메일로 받아볼 수 있습니다.