대기과학(Atmospheric Science) 문답 #5. Cloud Development and Precipitation

#1. 대기의 단열 변화를 정의하고, 공기의 상승으로 인한 단열 팽창의 과정과 그 반대, 즉 공기의 하강으로 인한 단열 압축의 과정을 설명하시오.

주변과 열 교환이 일어나지 않으면서 대기의 부피, 온도, 압력 등이 변하는 과정을 대기의 단열 변화라고 한다.

일반적으로 공기가 상승하면, 주변 기압의 감소로 인하여 공기가 단열적으로 팽창하게 된다. 열역학 제1법칙과 PV일의 정의에 의하면, 이 때 공기는 외부에 대하여 일을 하게 되므로 내부 에너지가 감소한다. 즉, 냉각된다. 이러한 단열 팽창에 의한 냉각은 공기를 포화 상태에 이르게 할 수 있는 주요한 방법으로서 구름의 형성에 크게 기여한다.

반대로 공기가 하강하는 경우에는, 주변 기압의 증가로 인하여 공기가 단열적으로 압축되게 된다. 열역학 제1법칙과 PV일의 정의에 의하면, 이 때 공기는 외부에서 일을 받으므로 내부 에너지가 증가한다. 즉, 승온된다.

#2. 건조단열감률과 습윤단열감률을 정의하고, 그 대략적인 값을 명시하시오. 왜 습윤단열감률은 일반적으로 건조단열감률보다 낮은가?

불포화 상태의 대기가 단열적으로 팽창할 때 따라 냉각되는 기온 감률을 건조단열감률이라 하고, 그 값은 대략 10 K/km 정도이다. 반면 포화 상태의 대기가 단열적으로 팽창할 때 따라 냉각되는 기온 감률을 습윤단열감률이라 하고, 그 값은 대략 4 ~7 K/km 정도로 다양하다. 일반적으로 포화 대기의 경우는 단열 냉각시 수증기의 응결로 인한 액화열 방출로, 상대적으로 불포화 대기에서 단열 냉각이 일어나는 경우보다 그 기온의 하강이 낮다. 그러나 이러한 방출되는 액화열의 양은 전적으로 그 공기 중에 수증기가 얼마나 들어 있느냐의 여부에 따라 달라지므로, 구체적으로 포화 대기의 경우도 위도나 기타 조건 등에 따라 그 습윤단열감률이 변동한다.

#3. 공기의 안정도를 판별하는 방법을 기온이나 밀도와 연계하여 설명하시오. 건조 대기의 경우, 안정 · 불안정 · 중립 상태는 각각 어떻게 정의되는가? 일반적 대기에서 환경감률과 건조단열감률, 습윤단열감률의 비교와 대기의 안정도는 어떤 관계를 가지는가?

일반적으로 주변보다 온도가 높은 공기는 주변보다 저밀도가 되어 상승하려고 하며, 주변보다 온도가 낮은 공기는 주변보다 고밀도가 되어 하강하려고 한다. 주변과 온도가 비슷한 공기는 주변과 밀도가 유사하므로 중립적이다. 따라서 일반적으로 공기가 그 주변에 비하여 온도가 높아 상승하려고 하는 경우에 그 공기는 불안정하다고 표현하며, 주변에 비하여 그 공기의 온도가 낮아 하강하려고 하는 경우에는 그 공기는 안정하다고 한다. 반면 주변과 그 공기의 온도가 비슷하여 특별한 경향이 없는 경우에는 중립적이라고 한다.

일반적인 대기의 경우에는 환경감률, 즉 실제 대기에서 관측되는 연직 기온 Profile과 건조단열감률, 습윤단열감률을 비교하여 대기의 안정도를 판별할 수 있다. 만약 환경감률이 건조단열감률보다 큰 경우에는, 이 공기는 절대 불안정하다. 왜냐하면 포화든 불포화든 공기는 모두 건조단열감률 또는 습윤단열감률을 따라 상승할 것인데, 항상 이 경우 그 공기는 상승해도 주변보다 온도가 높으므로 계속 상승하려 할 것이기 때문이다. 반면 환경감률이 건조단열감률과 습윤단열감률 사이에 놓이는 경우에는, 이 공기는 조건부 불안정하다. 건조 공기의 경우는 건조단열감률을 따라 움직이므로 상승 시에는 주변보다 온도가 낮게 되어 하강하려고 할 것이므로 안정하나, 습윤 공기의 경우는 습윤단열감률을 따라 움직이므로 상승 시에는 주변보다 온도가 높게 되어 계속 상승하려고 할 것으로 불안정하다. 환경감률이 습윤단열감률보다도 낮게 주어지는 경우에는 자명히 이 대기는 절대적으로 안정하다. 포화 공기든 불포화공기든, 상승해도 주변 공기에 비하여 항상 온도가 낮기 때문이다.

일반적으로 하강하여 승온하는 공기 덩어리의 경우는 그 포화 / 불포화와 무관하게 건조단열감률을 따라 승온됨에 유의할 것.

#4. 대기 안정도와 구름의 종류를 설명하시오. 상승응결고도(LCL)이란 무엇인가? 어떤 의미를 가지는가?

일반적으로 대기가 불안정한 경우에는 대류가 잘 일어날 수 있으므로 적운형 등의 연직운이 발달한다. 반면 대기가 안정한 경우에는 그 반대이므로 층운형 등의 수평 구름이 잘 발달한다.

지표의 어떤 공기가 강제 상승하였을 때에 냉각되어 포화에 이르는 고도를 상승응결고도(LCL)라 하고, 이 상승응결고도는 이론적인 운저고도라는 의미를 가진다. 즉, 상승응결고도 이상의 높이로부터 구름이 형성될 수 있다.

LCL 상부에서의 대기 안정도의 판별은 오직 습윤단열감률과 환경감률을 비교하는 것으로도 충분하다. LCL에 이르러 포화 상태에 이르른 공기의 안정도를 판단하는 것이기 때문이다. LCL 상부에서 대기가 불안정하다면 연직운이 발달할 수 있겠지만, LCL 상부에서 대기가 안정(절대 안정)하다면 층운형 구름이 발달할 것이다.

#5. 공기의 강제 상승 방법 네 가지를 각각 명시하고 설명하시오.

공기는 국지적 지표 가열에 의한 열적 상승, 전선면을 따른 상승, 지형지물에 의한 상승, 공기의 수렴에 의한 (저기압 중심 등에서의) 상승의 네 가지 과정으로 크게 강제 상승할 수 있다.

#5-1. 국지적 지표 가열에 의한 열적 상승

국지적으로 어떤 지표가 가열되는 경우, 그 지표 근방의 공기는 열기포를 형성하여 주변보다 밀도가 낮아져 강제적으로 상승할 수 있다.

#5-2. 전선면을 따른 상승

서로 다른 두 기단의 경계인 전선에서는 기단의 이동에 따라 온난공기가 전선면을 따라 한랭공기 위로 강제 상승할 수 있다.

#5-3. 지형지물에 의한 상승

공기가 이동하던 중에 지형지물에 가로막히는 경우는, 바람의 세기가 충분하다면 지형지물을 타고 올라 강제 상승할 수 있다.

#5-4. 공기의 수렴 지역(저기압 중심 등)에서의 상승

공기가 수렴하는 지역으로 공기가 이동하는 경우, 공기는 필연적으로 위로 상승하게 된다. 보통 저기압 중심등이 이에 해당하며, 여기에 공기가 위치하는 경우 공기는 열적 과정에 의하지 않고서도 강제적으로 상승 가능하다.

#6. 산악파에 의한 산 안개와 풍하파 구름의 형성 과정과, 그 둘의 차이를 논하시오.

공기가 산을 넘었을 때 그 풍하측에 형성되는 파동적 공기의 흐름인 산악파에 의해서는, 산악파가 위쪽으로 상승하는 부분에서 공기가 따라 상승, 단열 팽창함으로써 냉각되어 구름을 형성할 수 있다. 이것이 산의 정상부 근처에서 발생하는 경우는 산 안개, 그렇지 않고 산의 정상부 이후의 풍하파 중에서 발생하는 경우는 풍하파 구름이라 한다.

#7. 충돌 · 병합 강수 과정을 설명하시오. 충돌 · 병합 과정을 위해서 구름 내의 각 구름 입자의 크기는 어떠해야 하는가? 그러한 이유는? 이러한 충돌 · 병합 과정은 어떤 구름에서 주로 일어난다고 여겨지는가?

서로 다른 구름 입자들이 상호 충돌 및 병합하여 크기가 커지고, 이를 통하여 강수 입자가 형성되어 강수가 발생한다고 설명하는 과정을 충돌 · 병합 과정이라 한다. 충돌 · 병합 과정을 위해서는, 대체로 공기 저항이 물방울의 크기에 따라 증가하며 이 공기 저항의 크기에 의하여 빗방울의 종단 속도가 결정되기 때문에, 그리고 서로 다른 낙하 속도를 가진 빗방울들이 존재하여야 충돌과 병합이 일어날 수 있기 때문에 서로 다른 크기의 구름 입자로 구성된 구름을 전제한다. 이러한 충돌 · 병합의 과정은 주로 물방울을 전제하므로, 영상 이상의 온도를 가진 구름에서 일어난다고 여겨진다. 즉, 주로 저위도에서의 구름서 강수 형성의 과정을 설명할 때 이 과정을 주로 말한다.

또한 큰 구름 입자일수록 낙하시 충돌 유효 반경이 넓어져 더 빠르게 형성할 수 있는 효과도 있다. 또한 위 과정으로 인하여, 두꺼운 연직운일수록 더 큰 크기의 강수 입자가 발달할 수 있는데, 왜냐하면 충돌 · 병합의 기회가 더 길어진 낙하 경로로 인하여 증가하기 때문이다.

#8. 5mm는 강수 입자에 대하여 어떤 의미를 가지는 수치인가?

5mm는 강수 입자가 분리되지 않고 하나로 유지될 수 있는 상한 직경이다. 직경이 5mm를 초과하는 강수 입자의 경우는 일반적으로 낙하 중의 공기 저항 덕분에 하나로 유지되지 못하고 쪼개져 버린다. 따라서 지표로 도달하는 강수 입자는 대체로 5mm의 직경을 넘지 않는 크기를 가진다.

#9. 빙정 과정을 설명하시오. 빙정 과정이 일어날 수 있는 핵심은 어디에 있는가? 이러한 빙정 과정은 어떤 구름에서 주로 일어난다고 여겨지는가?

구름에서 빙정에 과냉각 물방울 등에서 방출된 수증기나 기타의 빙정, 과냉각 물방울들이 들러붙어(결착되어) 강수 입자가 형성되는 과정을 빙정 과정이라 한다. 빙정 과정이 일어날 수 있는 핵심은 영하의 온도에서 과냉각 물방울과 빙정의 포화수증기압차이에 있다. 영하의 온도에서는 일반적으로 과냉각 물방울의 포화수증기압이 빙정보다 크다. 이 때문에 빙정 과정에서는 구름 속의 과냉각 물방울에서 증발한 수증기가 빙정으로 결착되어 빙정은 성장하고, 과냉각 물방울은 증발하여 없어진다. 이러한 빙정 과정은 주로 빙정과 과냉각 물방울의 존재를 전제하므로, 영하의 온도를 가지는 구름에서 일어난다고 여겨진다.

#10. Cloud Seeding을 정의하시오. 인공적으로 Cold Cloud에서 Cloud Seeding을 일으키고자 할 때에는 어떤 물질을 사용하는가? 왜 그러한가? Warm Cloud에서는 어떠한가, 왜 그러한가? Cloud Seeding의 한계점을 논하시오.

구름 등에 응결핵을 공급하여 강수를 유도하는 것을 Cloud Seeding이라 한다. Cold Cloud에서는 Cloud Seeding을 위해서는 주로 $AgI$(아이오딘화 은)을 사용하는데, 이는 아이오딘화 은의 결정 구조가 빙정의 것과 유사하기 때문에 빙정 과정에 있어서 효과적인 친수성 응결핵으로 작용하기 때문이다. 반면 Warm Cloud에서는 염화칼슘($CaCl_2$)를 주로 이용하는데, 염화 칼슘이 상당한 친수성이며 흡습성을 지니고 있어 충돌 · 병합 과정에 있어서 응결핵으로 효과적으로 기능하기 때문이다. 그러나 이러한 Cloud Seeding은 충분한 수증기를 가지고 있어 강수가 올 가능성이 다분한 구름에서의 강수를 유도하는 데에만 사용할 수 있으며, 건조한 상태의 대기에서 강수를 유도하는 데 사용될 수는 없다. 또한 Cloud Seeding을 이용하여 유도할 수 있는 강수의 세기나 지속은 대기 오염 등을 해결하는 데에 있어 일반적으로 충분하지 않다.

#11. 두꺼운 권운에 의한 자연적인 Cloud Seeding을 설명하시오.

상부에 두꺼운 권운이 있는 경우, 이 권운에서 빙정 과정에 의하여 형성된 빙정이 낙하하면서 하부의 구름에 Seeding을 하는 경우가 있다. 즉, 이 상층의 두꺼운 권운에서 형성된 빙정이 하부에 응결핵이나 중추로 작용하면서 강수를 유도하기도 한다.

#12. 강우 · 강설의 분기 조건을 설명하고, 중위도 지역에서 형성되는 일반적 연직운에서의 강수 과정을 설명하시오.

일반적으로 강수 입자가 지표에 도달하였을 때, 영상의 온도여서 충분히 녹았다면 강우가, 그렇지 못했다면 강설이 발생한다. 일반적으로 지표의 온도의 영상 / 영하의 여부와 강우 / 강설의 여부를 연관짓기 쉬우나, 지표의 온도가 영상이어도 상공에서의 빙정 등이 녹을 시간이 충분하지 않았다면 강설이 발생할 수도 있다.

중위도 지역에서 형성되는 일반적 연직운은 상층서 빙정 과정에 의하여 형성된 빙정이 낙하하면서 다른 수증기, 과냉각 물방울, 빙정, 다른 강수 입자와 들러붙거나 충돌, 병합하는 과정을 통해 성장하여 낙하하고, 낙하 중에 녹았는지의 여부에 따라 지표에 도달했을 때의 강설 / 강우가 나뉘는 식으로 발달한다.

#13. 강수의 증발 · 승화에 따른 꼬리구름의 형성과 그 개념을 정의하시오.

강수가 내리는 지역의 하부 대기가 건조한 경우, 즉 불포화 상태인 경우 강수는 내리다가 모두 증발 · 승화할 수도 있다. (물론 상대적으로 약한 강도의 강수의 경우에) 이 경우 강수는 그 하부 대기의 습도를 증가시켜 포화에 이르게 할 수도 있다.

강수의 증발 · 승화에 따라 구름 하부에는 일련의 꼬리 모양의 물방울들의 집합이 형성될 수도 있는데, 이를 꼬리구름이라 한다.

#14. 비와 이슬비의 차이점과 빗방울의 크기, 그 낙하할 때 각 물방울의 형태, 주로 내리는 구름에 대하여 논하시오.

강우 형태의 큰 두 맥인 비와 이슬비는 그 빗방울의 크기가 0.5mm 이상인지 이하인지의 여부로 나눌 수 있다. 0.5mm 이상의 크기의 빗방울은 비, 그렇지 않으면 이슬비로 분류한다. 일반적으로 비의 빗방울은 공기 저항의 영향으로 낙하시에 연직 방향으로 찌그러진 구형과 같은 형태로 낙하하지만, 이슬비의 경우는 공기 저항이 미치는 영향이 작아 낙하 시에 거의 구형으로 낙하한다. 주로 비의 경우는 난운에서 잘 발생하고, 이슬비의 경우는 안개나 층운형 구름 등에서 잘 발생하는 편이다.

#15. 빗방울의 크기와 낙하할 때 물방울의 모양에 대하여 논하시오.

빗방울의 크기는 직경 약 2mm 정도를 기준으로 하여 낙하할 때 연직으로 찌그러지는지 아닌지의 여부가 갈린다. 2mm보다 작은 크기의 빗방울은 공기 저항의 영향이 작아 그 낙하 시의 모양이 거의 구형에 가까운 반면, 2mm보다 큰 크기의 빗방울은 공기 저항의 영향으로 그 낙하 시에 모양이 연직 방향으로 찌그러진 구형에 가깝다.

#16. 눈 · 진눈깨비 · 어는 비 · 상고대 · 쌀알 눈 · 눈싸라기(싸락눈)을 정의하시오. 눈의 경우 주로 나뭇가지 형의 결정형이 주로 관찰되는데, 이러한 이유는 무엇인가? Black Ice와 어는 비 사이의 상관관계는?

강설 형태는 눈, 진눈깨비, 어는 비, 상고대, 쌀알 눈, 싸락눈(눈싸라기) 등으로 나누어질 수 있다. 눈은 빙정 등 강수 입자가 육면체나 나뭇가지 형의 눈송이를 이루어 강하한 것이고, 진눈깨비는 낙하하던 눈송이가 도중에 녹은 이후 다시 얼어서 떨어진 것이며, 어는 비는 낙하하던 강수 입자가 도중에 녹은 이후 다시 냉각되었으나, 얼지는 못하고 과냉각되어 지표에 도달한 이후 그 지표에 얇은 얼음막 등을 형성하는 강설 형태를 말한다. 상고대의 경우는 지표 부근에서 과냉각 물방울이 물체의 표면에 침착되어 발생하는 구조를 말하며, 쌀알 눈과 싸락눈은 모두 불투명하고 작고 가는, 쌀알 눈과 같은 모양의 강설 형태를 말하는데 쌀알 눈은 지표에 부딪혀 튕겨 오르지만 부서지지는 않는 반면, 싸락눈은 그렇지는 않다.

눈의 경우 주로 나뭇가지 형의 결정형이 관찰되는 것은, 그러한 결정형을 구성하는 기온과 습도 조건이 주로 영하서 과냉각물방울과 빙정 사이의 포화 수증기압 차이가 최대가 만드는 -12℃에서 나뭇가지 형의 결정형이 형성되기 때문이다. 일반적으로 눈의 결정형은 그 형성 지역의 기온과 상대 습도에 따라 달라지는데, 가장 빙정을 잘 형성시키는 조건인 -12℃ 부근에서 나뭇가지 형의 결정형의 눈이 형성되기 때문에 눈의 경우는 주로 나뭇가지 형의 결정형이 주로 관찰된다.

Black Ice의 경우는 일반적으로 도로의 복사 냉각에 의하여 발생하기도 하지만, 과냉각된 상태의 비와 다름없는 어는 비가 도로에 도달하여 표면 얼음을 형성하기 때문에 발생하는 것도 있다.

#17. 우박을 정의하시오. 우박은 어떤 과정을 통하여 형성되는가? 연직운에서 어떤 흐름이 존재하면 우박은 더 잘 성장하는가, 그 이유는 무엇인가?

하늘에서 작은 콩 크기의 얼음 알갱이들이 비처럼 떨어지는 현상 혹은 그리하여 떨어진 것을 우박이라고 한다. 우박은 일반적으로 연직 상승 운동이 굉장히 강한 연직운(주로 적란운) 등의 안에서 상승과 하강을 반복하는 빙정 입자의 성장으로 발달한다. 일반적으로는 싸락눈 · 언 빗방울 등이 씨앗으로 작용하여 구름 내부에서 과냉각 물방울들이 이에 결착되는 것이 반복되어 형성된다. 일반적으로 연직운에서 연직 상승 흐름 말고도 수평 흐름도 존재한다면, 즉 상승기류가 기울어져 있다면 우박이 다른 입자와 충돌하여 병합 · 결착할 가능성이 높아지므로 이 경우 우박은 더 잘 성장하게 된다.

#18. 강수의 측정 방법 중에서, 고전적 우량계와 대비하여 전도형 우량계를 설명하시오. 전도형 우량계의 원리, 한계점이 명확히 드러나도록 설명하시오.

고전적 우량계의 경우는 그냥 빗물을 담는 통에 자 등의 측량 기구를 설치하고 일정 시간동안 받아진 물의 높이를 측정하는 방식으로 강우량을 측정했다. 그러나 이러한 방식은 결정적으로 강수 강도를 측정할 수 없다는 문제점이 있었다. 그리하여 내부에 일정 용량의 전도 용기를 두고, 전도 용기에 물이 가득 찰 때마다 전도 용기가 넘어지도록 함으로써 강수 강도도 측정할 수 있는 전도형 우량계의 발명으로 이러한 문제점을 해결했다. 그러나 이러한 전도형 우량계는 전도 용기의 용량 이하로 강수가 오는 경우 이를 측정할 수 없는, 분해능의 한계가 존재하며, 또한 전도 용기의 전도시 빗물이 유실되는 문제점도 있다.

#19. 도플러 레이더를 이용한 강수 측정에 대하여 설명하시오. 도플러 레이더는 무엇을 이용하는가? 무엇을 측정하여 기상 예보 등에 도움을 주는가?

현대 종관 기상 관측에서는 강수 입자의 크기에 맞게 레일리 산란을 유도할 수 있는 적당한 전파를 송신하여, 그 레일리 산란의 후방산란을 측정하여 기상대로부터 강수 입자의 거리, 크기(종류), 운동 등을 측정할 수 있는 도플러 레이더를 활용한다. 이 때, 강수 입자로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 파의 도플러 효과를 이용하여 강수 입자의 시선 방향 속도를 측정할 수도 있다.