강수 현상의 원인이 되는 수증기

한 번쯤 아침 출근길이나 등 하교 길에 자욱이 낀 안개 때문에 곤란을 겪은 경험이 있을 것이다.  또한 맑은 하늘에 날벼락이라는 말처럼 화창한 하늘에서 갑자기 소나기가 내려 당황스러웠던 경험도 있을 것이다.  그리고 산 아래에서는 맑은 날씨였는데, 산 위로 올라갈수록 산안개가 끼어 신기하게 생각했던 경험 역시 누구나 가지고 있을 것이다.  그렇다면 이러한 현상이 왜 일어나는 것일까?  어떠한 요인에 의해 일어나는 것일까?  이 장에서는 강수현상의 원인이 되는 수증기와 그 변화에 대해서 알아보자.  공기 중의 수증기가 어떤 현상을 일으키는지와 그 변화되는 과정에 대해 알아보는 일은 매우 흥미로운 일이다.  압력은 물체와 물체의 접촉면 또는 물체 내의 가상의 면을 두고 서로 수직으로 미는 힘이라고 배웠을 것이다.  여기선 수증기량을 좀 더 쉽게 이해하기 위해 압력을 다른 시각에서 정의하고자 한다.  일정한 공간 안에 어떠한 물질이 존재한다면, 그 물질은 어느 정도의 공간을 차지하게 된다.  만약 부피가 줄어들거나 물질의 양이 많아진다면 서로 차지할 수 있는 공간이 점차 부족하게 되어 서로 밀어내는 힘이 작용하게 되는데 이것을 압력이라고 하자.  이 장에서는 공기 중의 수증기에 대해 다루고자 한다.  여기서 공기는 일정한 공간이라 할 수 있고, 수증기는 그 공간을 차지하는 물질로 볼 수 있다.  그렇다면 공기 중의 수증기량에 따라서 얼마나 압력이 변화하는지, 다른 요인에 의해서 압력은 변화가 없는지 궁금하지 않은가?  또한 어떻게 하면 수증기량이 늘어나고, 그러한 변화가 기상에 어떠한 영향을 끼치는지 궁금하지 않은가?  이런 궁금증에 대해 천천히 풀어보도록 하자.  어떤 온도에서 증발과 응결이 균형을 이룰 때의 압력이라고 정의할 수 있다.  증발이란 물속에서 빠르게 움직이는 물 분자가 물 표면으로부터 탈출하여 공기 중에 유입되는 과정이다.  반면 공기 중의 물분자들이 모든 방향으로 무작위로 움직이기 때문에 그 일부분이 물로 되돌아가게 되는 과정은 응결이라고 한다.  그렇다면 공기가 포함할 수 있는 수증기량은 어떻게 정해지는가?  대기(공)가 수증기를 가질 수 있는 능력은 기온에 의해 정해지며, 주어진 온도에서 가질 수 있는 최대의 수증기를 가질 때 대기는 포화상태에 있다고 한다.  이때 수증기에 의한 압력을 포화수중기압이라고 한다.  온도와 포화수증기압과의 관계는 온도가 20도에서 30도로 증가하게 되면 공기가 수증기를 포함할 수 있는 양이 증가하게 되어, 물표면으로부터의 이탈과 물로 돌아가는 분자 간에 새로운 균형 상태에 이를 때까지 수증기압은 계속 증가하게 된다.  포화수증기량곡선이란 무엇인가?  기온이 상승하면 수증기의 응결은 일어나기 어렵다.  왜냐하면 수증기가 충돌하여 응결이 일어나기 위해서는 서로 달라붙기 위해 저속으로 운동해야 하는데, 속도가 빠르면 서로 달라붙기가 힘들므로 응결이 일어나기 어렵다.  따라서 온도가 높을수록 수증기의 운동 속도가 빨라 응결이 일어나기 어려우므로, 공기 중에 포함될 수 있는 수증기의 양은 증가하게 된다.  포화수증기량은 공기 1m³ 속에 최대로 포함할 수 있는 공기의 양이다.  즉 이때 수증기와 물방울이 충돌에 의해 서로 전환되는 수가 평형을 이루게 된다.  불포화란 어떤 온도에서 채울 수 있는 최대 수증기를 아직 다 못 채웠다는 것을 의미한다.  이때는 공기 내에서 수증기의 증발이 활발히 일어날 수 있다.  그러면 어떤 공기가 포화되었다는 것은 무엇을 뜻하는 것일까?  어떤 공기가 포화되었다면, 그 공기 안에 들어갈 수 있는 수증기의 최대량으로 가득 차 있다는 것이므로, 온도가 낮아져서 수증기의 운동 속도를 낮추거나 외부로부터 수증기가 투입된 충돌수가 증가하게 되어 그 공기는 수증기의 응결이 일어나게 된다.  여기서 또 다른 용어 하나를 정의해 보자.  B 상태의 공기덩어리를 보자.  이 공기의 현재 온도는 40도이며, 현재 수증기량은 10g/m³ 이 공기를 수증기량은 변화시키지 않은 상태에서 포화시키고자 한다면, 온도를 10도로 낮추면 될 것이다.  이 온도를 이슬점이라고 한다.  즉, 이슬점은 현재 수증기량으로 포화시킬 수 있는 온도이며, 이슬점에 도달한 공기의 상대습도는 100%이다.  참고로 공기가 위치해 있으면 불포화이고, 선상에 위치해 있으면 포화이다.  특수한 상황이지만 만약 선 위쪽에 공기가 녹색에 위치해 있다면 과포화 상태이다.  참고로 대기 중에서 공기가 포화상태에 도달하는 방법은 두 가지가 있다.  첫째, 온도를 일정하게 유지하면서 공기 중에 수증기를 공급하는 것이다.  예를 들어 B라는 공기가 지금 현재의 대기라고 생각해보자.  온도의 변화 없이 대기에 수증기가 공급되었다면 공기 상태는 B에서 A로 이동하게 되고, 여기서 수증기가 더 공급된다면 E 상태가 된다.  즉 불포화 상태였던 B가 포화 상태인 E가 되는 것이다.  둘재, 수증기량을 일정하게 유지하면서 공기의 온도를 낮추어 이슬점에 이르게 하는 방법이 있다.  마찬가지로 앞에서 설명한 것처럼 B가 현재의 대기라고 가정한다.  대기의 수증기량은 그대로인 채 공기를 냉각시키면, B의 공기는 왼쪽으로 이동하여 D에 위치하게 되고, 더욱 온도가 낮아지면 포화수증기량 곡선과 만나게 된다.  즉, 앞에서 언급한 바와 같이 냉각된 공기는 이슬점에 도달하게 되어 포화 상태가 되는 것이다.  그렇다면 실제의 대기 현상에서는 어떻게 포화 상태에 도달하게 될까?  실제 대기에서는 기온의 변화 없이 수증기량의 공급에 의해 포화되는 것보다 수증기량의 변화 없이 냉각에 의해 포화되는 것이 더 흔하다.  이는 어느 지점에서의 수증기의 갑작스러운 증가보다 하루 중 태양복사 에너지의 변화에 따른 온도 변화가 공기 중의 수증기를 포화시키는데 더 효과적이라는 것이다.  자료출처:쉽게 배우는 기상학[교육과학사]