대기과학(Atmospheric Science) 문답 #4. Cloud

#1. 증발 · 응결을 정의하고, 공기의 포화 상태와 불포화 상태를 정의하시오.

액체의 표면에서 액체 입자가 수증기의 형태로 이탈하는 현상, 즉 액체의 표면에서 일어나는 기화 현상을 증발이라 하고, 그의 역 현상, 즉 액체의 표면에서 수증기 입자가 액체 입자로 구속되는 현상, 즉 액체의 표면에서 일어나는 액화 현상을 응결이라 한다. 증발에는 기화열 흡수의 잠열 출입이 동반되며, 응결에는 액화열 방출의 잠열 출입이 동반된다.

공기가 일반적으로 물에 대하여 증발 속도와 응결 속도가 동일해져, 동적 평형 상태를 이루었다면 그 공기는 포화 상태에 이르렀다고 한다. 즉, 공기의 포화 상태는 다름 아닌 그 공기가 머금을 수 있는 최대한의 양의 수증기를 머금은 상태를 지시한다. 반면 공기와 물이 있을 때, 일반적으로 증발 속도가 응결 속도보다 빨라 공기가 머금는 수증기의 양이 계속 증가하는 상태에 있을 때, 그 공기는 불포화 상태에 있다고 한다. 즉 공기의 불포화 상태란 그 공기가 머금을 수 있는 최대한의 수증기보다 덜한 양의 수증기를 머금고 있는 상태이다. 이와는 대조적으로, 일반적으로 증발 속도보다 응결 속도가 더 빨라 공기가 머금는 수증기의 양이 감소하는 상태에 있을 때, 그 공기는 과포화 상태에 있다고 한다. 즉 공기의 과포화 상태란 그 공기가 머금을 수 있는 최대한의 수증기보다 더 많은 양의 수증기를 머금고 있는 상태를 지칭하는 용어이다.

일반적으로 증발은 온도가 높거나 바람이 세게 부는 경우 잘 일어난다. 온도가 높은 경우에는 분자 운동 속도의 증가로, 바람이 세게 부는 경우에는 액체 표면 근처의 기체 입자 제거 효과로서 이를 설명할 수 있다.

#2. 건조 공기와 습윤 공기 중에, 일반적으로 어느 것이 더 무거운가? (밀도가 높은가?) 그 답과 이유를 설명하시오.

일반적으로 건조 공기가 습윤 공기보다 더 무겁다. (밀도가 높다.)

왜냐하면 일반적으로 수증기보다 공기의 주요 기체인 질소 기체와 산소 기체의 분자량이 크기 때문이다. 질소 원자($N$)의 원자량은 14, 산소 원자($O$)의 원자량은 16으로, 일반적으로 질소 기체($N_2$)의 분자량은 28, 산소 기체($O_2$)의 분자량은 32이다. 반면 수증기($H_{2}O$)의 경우는 수소($H$)의 원자량이 1이므로, 분자량이 18로 질소와 산소 기체의 분자량이 수증기보다 크다. 습윤 공기는 건조 공기에 비하여 동일 부피에 포함된 수증기의 비율이 높다. 따라서 질소 및 산소 기체보다 그 질량이 더 작은 수증기가 더 많이 혼합된 것이 습윤 공기이므로, 습윤 공기가 건조 공기에 비하여 덜 무겁다(저밀도이다).

#3. 응결핵을 정의하시오. 응결핵의 두 가지 종류를 설명하시오.

대기 중의 수증기를 응결하는 데 있어 중추가 될 수 있는 작은 입자(대기 중 수증기의 응결을 돕는 작은 입자, 먼지, 연기 등의 에어로졸, 수화가 잘 되는 작은 입자들)를 응결핵이라 한다. 응결핵에는 친수성 응결핵과 소수성 응결핵의 두 종류가 있다. 친수성 응결핵의 경우는 수증기의 응결에 있어 도움을 주어 강수 입자를 잘 형성하게 하지만, 소수성 응결핵의 경우는 그 반대이다. 대체로 소수성 응결핵에 해당하는 자동차 매연의 질산화물의 경우는 강우가 잘 형성될 수 없도록 하는 효과가 있다.

#4. 빗방울, 구름 입자, 응결핵의 상대적 크기를 기술하시오.

응결핵의 상대적 직경은 약 0.2㎛ 이고, 구름 입자는 직경 약 20㎛, 빗방울은 평균적으로 직경이 약 2mm 정도이다. 응결핵에 비하여 구름 입자는 그 직경이 약 100배 정도, 빗방울은 구름 입자에 비해 그 직경이 약 100배 정도이다. 따라서 구름 입자는 응결핵에 비하여 $10^6$배, 마찬가지로 빗방울은 구름 입자에 비하여 $10^6$배의 부피를 가지므로, 하나의 빗방울이 형성되기 위해서는 $10^6$개의 구름 입자들이 병합되어야 함을 생각해볼 수 있다.

#5. 습도를 정의하고, 이를 측정하는 두 가지 대조되는 방법에 대하여 간략히 각 정의와 예시를 설명하시오.

공기가 그 속에 얼마나 많은 수증기를 포함하고 있느냐를 지시하는 척도를 습도라 한다. 습도는 절대적 측정법 또는 상대적 측정법으로 측정할 수 있다. 절대적 측정법은 말 그대로 공기가 포함하고 있는 수증기의 양을 측정하는 것으로, 노점 온도, 수증기압, 혼합비, 비습, 절대 습도 등이 있다. 상대적 측정법은 공기가 그 조건에서 최대한으로 포함할 수 있는 수증기의 양에 대한 실제 포함하는 수증기의 양의 비율로서 습도를 측정하는 것으로, 상대 습도가 대표적이다.

#6. 수증기압, 포화수증기압을 정의하시오.

공기는 수증기를 비롯한 다양한 기체의 혼합물에 다름 아니다. 따라서 돌턴의 부분 압력 법칙에 따라, 공기 중의 수증기는 그 분압을 가진다. 바로 이 공기 중의 수증기가 가지는 분압을 수증기압이라 하며, 포화수증기압은 어떤 주어진 온도에서 포화 상태에 공기가 이르렀거나 혹은 그렇게 될 때의 수증기압이다.

일반적으로 수증기압은 그 공기가 포함하는 수증기의 양이 많을수록 증가한다. 또한 포화 수증기압은 주어진 온도에서 공기가 포함할 수 있는 수증기량의 상한선으로 생각해볼 수도 있다.

#7. 포화 수증기압 곡선을 설명하시오. 포화 수증기압은 기온과 어떻게 관계되는가?

포화 수증기압 곡선은 온도에 따른 공기의 포화 수증기압을 도식한 것이다. 포화 수증기압은 일반적으로 기온이 높아짐에 따라 증가하는데, 기온이 높아짐에 따른 대기의 팽창과 증발 속도의 증가를 그 원인으로 생각해볼 수 있다.

포화 수증기압은 지수함수적 형태로 증가한다. 또한 영하의 온도에서 과냉각 물방울과 빙정의 포화 수증기압을 비교해보면, 과냉각 물방울의 포화 수증기압이 더 높다. 이 점은 영하 이하의 온도에서 구름을 형성하는 빙정 과정의 핵심을 이룬다.

#8. 상대습도를 정의하시오. 상대 습도는 어떤 인자에 의하여 변화할 수 있는가? 상대 습도를 어떻게 100%로 만들 수 있는가?

공기의 포화수증기량에 대한 현재의 수증기량의 비율 또는 이와 동치의 의미를 가지는 공기의 포화수증기압에 대한 현재의 수증기압의 비율을 상대습도로 정의하며, 보통은 앞의 비율에 100을 곱하여 퍼센트(%)로 표시하는 편이다. 상대 습도는 그 정의식에서 분자와 분모가 변할 수 있는 요인을 고려하여 보면, 그 공기의 온도(기온)가 변하거나 혹은 그 공기가 머금고 있는 수증기량이 변하는 경우에 변할 수 있다. 상대 습도를 100%로 만들 수 있는 방법은 따라서 그 공기의 기온을 강하시키거나, 그 공기에 추가적인 수증기를 공급하는 방법 2가지가 있다.

#9. 상대습도의 일변화를 설명하시오. 상대습도의 일변화와 기온의 일변화 사이에는 어떤 관계성이 포착되는가?

무풍의 맑은 날을 전제한다면, 일반적으로, 한 지역의 수증기량의 일변화는 아주 작다. 이류 등이나 특이한 상황에 이르지 않고서는 수증기량은 거의 일정하게 하루 동안 유지된다고 할 수 있다. 따라서 상대습도의 일변화는 상대습도에 영향을 주는 남은 유일한 인자인 기온에 관계된다. 그러나 기온이 높아짐에 따라 포화수증기압이 증가하여 상대 습도가 감소한다는 것을 생각하여보면, 상대 습도는 기온의 변화에 역행하는 변화 패턴을 보인다. 실제로 상대 습도의 일변화는 기온의 일변화와 반대 경향을 보인다. 즉, 기온이 증가함에 따라 상대습도는 감소하며, 기온이 감소함에 따라 상대습도는 증가하고, 일최저기온을 기록하는 일출 직전 즈음하여 상대 습도는 최대가 되며 일최고기온을 기록하는 14 ~ 16시 즈음하여 상대 습도는 최저를 기록하는 모습을 보인다.

물론 이러한 형태의 상대습도의 일변화는 무풍 또는 등속풍의 조건 하에서 잘 나타난다.

#10. 노점(이슬점) 온도를 설명하시오. 노점 온도는 절대 측정법과 상대 측정법 중 어디에 속하는가? 노점 온도는 어떤 의미를 가지는가? 구름 속에서 노점 온도와 기온의 관계, 상대 습도를 설명하시오.

기압과 수증기량이 일정할 때에, 해당 공기를 냉각하여 포화 상태에 이르게 할 때, 즉 상대 습도가 100%에 이르게 될 때 그 기온을 노점 온도(이슬점 온도)라 한다. 노점 온도는 기압과 해당 공기가 머금고 있는 수증기량에만 관계된다는 점으로 생각해보면 절대 측정법에 속한다. 노점 온도를 측정하는 것은 이 공기 속에 포함되는 수증기의 양을 측정하므로 습도를 측정하는 것에 다름 아니라는 의미가 있다. 노점 온도가 높을수록 대기 중에는 더 많은 양의 수증기가 포함되어 있다고 결론내릴 수 있다. 구름 속에서는 상대 습도가 100%에 달하여 응결이 일어나고 있는 것이므로 노점 온도와 기온은 같다고 생각해야 한다.

#11. 습도는 어떻게 측정하는가? 건 · 습구 온도계와 모발 습도계, 전기 습도계의 원리를 설명하시오. 휘돌이 건습도계의 원리도 설명하시오.

습도는 습도계를 이용하여 측정하는데, 습도계에는 건 · 습구 온도계가 있으며 이의 특이 형태로 휘돌이 건습도계가 있다. 또한 이 외에도 모발 습도계와 전기 습도계가 있다.

건 · 습구 온도계의 경우에는 일반적인 온도계인 건구 온도계에서 측정한 온도와, 물을 적신 거즈 증으로 하부를 감싼 습구 온도계에서 측정한 온도의 차이를 이용하여 상대 습도를 측정한다. 일반적으로 습도가 높을수록 습구 온도계에서의 증발이 저하될 것이므로, 건구 온도와 습구 온도의 차이는 감소한다. 이의 특이 형태인 휘돌이 건습도계의 경우는 궁극적으로 원리는 일반적인 건 · 습구 온도계의 원리와 동일하나, 건 · 습구 온도계는 일반적으로 가만히 놔두어 건구와 습구 온도를 측정하는 반면, 휘돌이 건습도계의 경우는 잡고 휘둘러서 상대적인 바람을 일으켜 습구 온도계에서의 증발을 유도하여 측정하는 차이점이 있다.

모발 습도계의 경우는 습도에 따라 모발의 길이가 변화함을 이용한다. 전기 습도계의 경우는 습도에 따라 공기의 전기 저항이 미묘하게 변화하는 것을 이용한다.

#12. 이슬과 서리를 정의하시오. 이들은 각각 어떻게 발생하는가?

이슬은 기온이 이슬점 이하로 냉각될 때, 지표의 사물에 물방울이 맺히는 현상, 서리는 기온이 서리점 이하로 냉각될 때, 지표의 사물에 빙정이 맺히는 현상으로 정의될 수 있다. 이슬의 경우는 이슬점 이하의 온도에서 지표 근처에서의 대기 중의 수증기가 차가운 사물 표면에서 응결하여 발생하며, 서리는 서리점 이하의 온도에서 지표의 사물의 차가운 표면에 대기 중의 과냉각 물방울이나 수증기 따위가 침착되어 발생한다.

#12-S. 대기 오염이 심한 날에는 강수가 감소하는 효과가 있을 수도 있다. 이를 논의하시오.

대기 오염이 심하다는 것은, 대기 중에 응결핵의 양이 많다는 것이다. 그러나 대기 중에 포함되어 있는 수증기의 양은 정해져 있으므로, 만약 이들 응결핵들이 균등하게 물방울을 나눠 가진다면 그들 각각의 크기는 작다. 따라서 강수 입자를 형성할 가능성은 낮아지므로 강수가 감소하는 효과가 대기 오염이 심화되는 경우에 발생할 수도 있다.

#13. 안개와 박무를 정의하고, 그 둘의 차이점을 논하시오.

안개와 박무는 모두 지표 근방에서 수증기의 응결이 일어나 부유하고 있는 현상으로 이해되고 또한 정의될 수 있다. 즉, 지표 근처에서 형성된 구름인 셈이다. 시정이 1km 미만일 경우는 안개, 1km 이상일 경우에는 박무로 분류한다.

#14. 안개는 복합적인 과정에 의하여 형성되지만, 거칠게 메커니즘을 나누자면 냉각에 의하여 형성될 수도 있고, 증발에 따라 형성될 수도 있다. 아래 각각의 안개 분류에 대한 형성 과정을 논하시오.

#14-1. 복사 안개

냉각에 의한 안개의 형성 과정으로, 맑은 날, 바람이 잘 불지 않는 경우 야간의 지표 복사 냉각으로 지표 부근의 기온이 하강하여 냉각에 의해 공기가 포화 상태에 도달하여 발생하는 안개이다.

#14-2. 이류 안개

냉각에 의한 안개의 형성 과정으로, 온난 습윤한 공기가 한랭한 지표/수면 위로 이동하여 냉각되어 안개가 형성된다.

해양 근처에서 이러한 과정으로 이류 안개가 형성되는 경우는, 그 규모가 크게 발달한다. 해양이 공급할 수 있는 수분의 양이 육지의 경우보다 많기 때문이다. 이 경우는 이 안개를 해무라고 부르기도 한다.

#14-3. 활승 안개

냉각에 의한 안개의 형성 과정으로, 공기가 지형지물을 타고 강제 상승하는 경우 단열 팽창에 의한 냉각으로 공기가 포화 상태에 도달하여 발생하는 안개이다.

주로 활승안개는 겨울 및 봄철에 영서지방서 푄 효과에 의해 발생하는 경향이 높다.

#14-4. 증발 안개

증발에 의한 안개의 형성 과정으로, 증발 안개의 경우는 찬 공기가 따뜻한 수면 위를 지나가는 경우 수면에서 증발된 수증기가 응결하여 형성된다.

#14-5. 전선 안개

전선면에서의 공기의 상승에 의한 단열 팽창으로 인해 형성되는 안개이다. 주로 온난전선의 전면부 구름에 의한 비가 하층으로 내리면서 강수 입자가 증발하여 포화된 공기에서 발생한다.

#15. 안개가 소산될 수 있는 자연적 방법과 인위적 방법을 서술하시오.

안개는 일반적으로 일사에 의한 가열로서 자연적으로 소산될 수 있다. 그러나 인위적인 방법으로 소산하고자 하는 경우에는, 우선 가열을 통하여 안개의 소산을 꾀해 볼 수 있겠으나 비효율적이다. 다음으로는 안개 입자를 인위적으로 응결시켜 강우로 내리게 하는 방법으로서, 친수성 응결핵을 공급하는 방법을 생각해볼 수도 있다. 그러나 간단하게는 풍력계 등을 이용하여 강제 순환을 시켜, 찬 공기와 더운 공기를 혼합해주는 방법을 이용할 수도 있다.

#16. 세계기상기구의 구름의 분류에 대하여, 구름은 어떤 요소를 기준으로 분류될 수 있는가? 또한 세계기상기구의 구름 분류는 어떻게 되는가? 각 분류의 영문명까지 함께 답하시오.

구름은 그 형태(모양 등)와 운저고도, 연직 발달 여부에 따라 분류할 수 있다. 세계 기상 기구에서는 운고와 연직 발달 여부에 따라 크게 구름을 상층운, 중층운, 하층운과 연직운(연직 발달 구름)으로 나눈다.

상층운에는 권운(Cirrus), 권적운(Cirrocumulus), 권층운(Cirrostratus)이 있으며, 중층운에는 고적운(Altocumulus), 고층운(Altostratus)이 있다. 하층운에는 층운(Stratus), 층적운(Stratocumulus), 난층운(Nimbostratus)이 있다. 연직운으로는 적운(Cumulus)와 적란운(Cumulonimbus)이 있다.

구름의 고도는 위도에 따라 달라지지만, 주로 상층운이 영향을 많이 받을 뿐이지 하층운은 거의 동일한 고도에서 형성된다. 위도에 따른 대류권계면 높이차가 영향을 주는 것이라고 생각해볼 수 있다.

상층운은 워낙 생성 고도가 높아서 주로 빙정으로 구성되며, 주로 두께가 얇고 강우를 내리지는 않는다. 중층운은 작은 물방울들로 구성되고, 하층운은 위도와 무관히 2km 이하의 고도에서 나타난다.

#17. 고적운과 권적운을 구분하는 방법, 고적운과 층적운을 구분하는 방법을 논하시오.

고적운은 권적운보다 개별 구름덩이가 더 크고, 짙으며, 명암이 뚜렷하다. 고적운과 층적운의 경우는 층적운이 운저가 더 낮고, 개별 구름 덩이가 더 큰 것으로 구별 가능하다. 즉, 대체로 낮은 구름은 높은 구름들에 비하여 구름덩이가 더 크고, 운저가 낮으며, 짙고 명암이 뚜렷한 것으로 구분 가능하다.

#18. 독특한 구름들인 아래 각 구름들에 대하여 그 개형이나 형성 과정에 대하여 논하시오.

#18-1. 렌즈 구름 (Lenticular Cloud)

렌즈 형태로 생긴 구름을 렌즈 구름이라 한다. 보통 렌즈 구름은 산맥의 풍하측으로 이어지는 산악파에 의하여 발생하는 것으로도 알려져 있다.

#18-2. 모자(삿갓) 구름 (Pileus)

연직운 등 이미 형성된 구름 위쪽에 모자 모양으로 형성되는 구름을 모자 구름이라 한다.

#18-3. 유방 구름 (Mammatus Cloud)

거대 적란운 등 뇌우의 하부에 유방의 형태로 오돌토돌하게 붙어 있는 형태의 구름을 유방 구름이라 한다.

#18-4. 비행운 (Contrails) – 비행 권운까지.

항공기가 지나간 자리에 형성되는 좁고 가는 빙정 위주의 구름을 비행운이라 한다. 비행운은 항공기의 제트 엔진에서 공기가 빠르게 분출될 때의 단열 팽창에 의한 냉각과, 제트 엔진의 연소에서 공급되는 응결핵의 영향으로 형성된다. 항공기가 대체로 대류권계면 근방의 높은 고도에서 날기 때문에, 이들은 주로 권운과 같은 하얀 빙정의 형태로 관찰된다. 대체로 비행운은 금새 사라지지만 그렇지 않고 퍼지는 경우에는 비행 권운을 형성하기도 한다.

#18-5. 자개구름 (야광운)

고위도 지역의 높은 고도에서 냉각에 의하여 형성된 구름의 경우는 여명기 중에 수평선 아래의 태양광선이 반사되어 발광하는 것처럼 관측되기도 하는데, 이를 야광운이라고 명칭한다.