하얀 구름부터 하얀 눈이 내리기까지
[일상 속] 단열 팽창
최근 며칠간 눈이 정말 많이 왔다. 저 하늘에 떠있는 구름만큼이나 하얀 눈들이 송송 떨어져서는 바닥에도 하얀 구름을 만든 것만 같다. 그런데 이 눈 결정들은 어떻게 온 것일까? 호빵맨처럼 구름에서 톡 떨어져 나온 것일까? 그렇담 구름은 눈 결정들로 이루어진 것일까? 눈이 오는 이유는 무엇일까? 구름과 눈에 대해서 알아보자
초등학교 ver.
만지면 뽀송뽀송할 것만 같은 구름. 구름은 무엇으로 이루어져 있을까? 베갯속과 같은 솜은 아닐 텐데 저 하얀 구름을 이루고 있는 것은? 답은 물방울이다. 엄청 작은 물방울들이 모여 있는 것이다.
'하늘에 떠있는 것이 액체라니, 하늘에 떠있으려면 기체여야 하는 것 아닌가?'라고 생각이 들 수 있다. 일단 우리 눈에 보이기 때문에 기체 일리는 없다. 기체는 우리 눈에 보이지 않는다! 가장 흔한 예로 물 끓는 주전자를 보면 하얀 김이 난다. 여기서 하얀 김도 기체가 아니다. 우리 눈에 보이지 않는가! 이 역시 아주 작은 물방울들로 이루어져 있어서 하얗게 보이는 것이다. 하얀 김이 날 때, 수건을 대보면 물방울이 맺힌다. 참고로 수증기와 김은 다르다. 김은 액체이고 수증기는 기체이다. 수증기는 기체이기 때문에 눈에 보이지 않는다.
하늘에 떠있는 구름과 주전자의 김은 액체 상태인 물방울로 이루어져 있다. 근데 왜 다른 액체와는 다르게 공기 중에 떠있을 수가 있을까? 그건 그만큼 엄청 가볍기 때문이다. 이 액체 상태의 물방울은 크기도 매우 작고 가볍다. 이것만 기억하자. 눈에 보인다면 그건 기체는 아니다! 액체나 고체일 것이다.
중학교 ver.
구름이 만들어지기 위해서는 공기가 상승해야 한다. 공기가 위로 향하는 원인은 다양하겠지만 대표적 이유로 태양에 의해 공기가 가열되면 가벼워져 위로 상승하게 된다. 이때 점점 위로 올라가면서 온도가 점점 낮아지게 되고 기체 상태의 물이 액체 상태로 변하게 된다. 이를 응결이라고 한다.
그렇게 만들어진 구름 속 물방울들이 점점 모이면서 크기가 커지고 무거워지게 된다. 그러다 비나 눈의 형태로 지표로 떨어진다. 비냐 눈이냐를 결정하는 것은 떨어질 즈음에 온도이다. 영하의 온도에서는 물방울이 얼음 알갱이가 되고 점차 크기가 커지다 무거워서 그대로 떨어지면 눈이 되고 떨어지는 과정에서 녹으면 비가 되는 것이다.
교과서 ver.
구름을 만들기 위해서는 공기가 "상승"해야 한다. 공기는 "상승"하는 과정에서 "온도가 낮아"지게 되어 응결이 나타난다. 그렇다면 왜 상승할수록 온도가 낮아지는 것일까? 이때 단열 팽창을 얘기할 수 있다. 단열 팽창이란 팽창한다는 것인데 외부와 열을 주고받지 않는다는 것이 포인트이다.
대개 팽창을 하려면 온도를 높여야 한다. 예를 들어, 풍선이 있고 공기를 더 주입시키지 않고 팽창하려면 열을 주면 된다. 그러면 분자의 운동이 활발해지면서 팽창하기 때문이다.
그런데 이와 다르게 단열 팽창은 열을 받지 않은 채로 팽창한다는 것이다. 이때 또 특이한 점은 공기가 단열 팽창하면 기온이 낮아진다는 것이다. 당장 입술을 오므린 채로 바람을 불어보자. 그럼 차가운 바람이 느껴질 텐데 이 역시 단열 팽창의 예이다. 입을 오므린 채로 바람을 불면 입 속의 공기는 열을 받지 않았음에도 팽창하게 되어 단열 팽창이 나타난 것이다. 또한 차가운 공기인 이유 역시 단열 팽창이기 때문이다.
외부와 열을 주고받지 않은 채로 팽창한 공기는 차가워진다.
그렇기 때문에 상승한 공기는 기압이 낮아짐에 따라 팽창을 하게 되고 기온이 낮아진다. 온도가 떨어지다 보면 기체가 액체로 변하게 되는 응결이 이루어지면서 구름을 형성한다.
이때 응결핵이 있어야지만 응결이 일어난다. 이름이 응결핵인 만큼 말 그대로 응결의 중심을 의미한다. 응결의 중심이 되는 작은 고체나 액체 알갱이다. 마치 땔감이 있어야 불을 피울 수 있는 것처럼 응결핵을 중심으로 응결이 이루어지고 물방울의 크기는 점차 커지게 된다.
요약
공기가 상승하면 기압이 낮아지면서 팽창하게 된다. 단열 팽창에 의해 공기의 기온이 낮아지고 공기 중에 있던 수증기가 액체로 변한다. 그러한 작은 물알갱이들이 모여 구름을 형성하고 물알갱이들이 모이고 모여 점차 무거워지면 그대로 떨어지게 된다. 떨어질 때의 온도가 영하면 눈이 되고 영상이면 비가 된다.