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Sep 26. 2024
구름은 왜 하늘에서 떨어지지 않을까?
어느 날 하늘을 문득 올려다보니 구름 한 조각이 마치 솜사탕처럼 부드럽고 하얗게 떠 있다. 한참을 상상에 빠지며 구름 위에서 낮잠 자는 꿈을 꾸기도 한다.
어릴 때부터 구름은 너무나 신기한 존재였다. 구름을 먹을 수 있을지, 구름 위에 올라탈 수 있을지, 어떻게 하늘에 있으면서도 떨어지지 않는지 등 수많은 호기심을 불러일으켰다.
오늘은 동심으로 돌아가 구름에 대한 과학적인 이야기를 해보려 한다.
주전자에서도 구름이 생긴다?
구름이 생기는 모습은 아주 가까이에서도 볼 수 있다. 주전자에 물을 끓이고 있다고 상상해 보자. 주전자 주둥이에서 약간 떨어진 곳에 하얀 '김'이 올라오는 걸 볼 수 있다.
'수증기'는 기체 상태의 물인데, 하나하나의 물 분자가 자유롭게 휘날리는 상태이며 투명하다. 이 수증기가 주전자 주둥이로부터 약간 떨어지면 주위의 공기와 섞여 차가워지게 된다. 차가워짐으로써 수증기는 모여 액체 상태의 물 알갱이인 '물방울'이 된다. 이 물방울은 아주 미소 하지만, 빛을 이리저리 반사하기 때문에 하얗게 보이게 되는 것이고, 이것이 '김'이다.
하늘에 있는 구름을 만드는 운립(구름 입자)도 김의 물방울과 같다. 수증기가 차가워져 생긴 미소한 물방울인 것이다. 즉, 구름은 운립이라는 미소한 물과 얼음의 알갱이로 되어있어, 그 위에 올라탈 수가 없다.
또한, 드라이아이스를 상온에 두면 흰 연기가 나오는데 이것 역시 공기 속의 수증기가 드라이아이스에 의해 차가워져 생긴 물 알갱이다. 이 흰 연기도 운립 그 자체인 것이다.
구름은 어떻게 생길까?
비행기에 기내식으로 주는 땅콩 봉지는 빵빵하게 부풀어져 있다. 그 이유는 높은 곳으로 올라갈수록 기압이 내려가 공기가 부풀어 오르기 때문이다. 그렇다면 구름이 생기는 정확한 원리는 무엇일까?
(1) 지상에 있던 공기가 태양에 의해 따뜻해지면, 수증기를 함유한 지면 부근의 공기 덩어리가 따뜻해져 위로 상승한다.
(2) 상승한 공기 덩어리는 과자 봉지와 마찬가지로 기압이 떨어져 부풀어 오르며 공기가 차가워진다. 그 이유는 상공의 기온이 낮기 때문이 아니라, 공기덩어리가 부풀어 오르는 데 공기 자신의 에너지를 사용하기 때문에 온도가 내려가는 것이다.
(3) 공기 덩어리가 차가워지면 공기 습도가 100%에 이르게 된다. 그러면 수증기가 물방울로 바뀌고 운립이 생긴다.
즉, 하늘의 구름은 공기 덩어리가 부풀어 올라 차가워져 탄생하는 것이다.
구름은 왜 떨어지지 않을까?
마지막으로 구름은 왜 떨어지지 않을까에 대한 의문을 해결해 보자. 결론부터 말하자면 위로 올라가는 공기의 흐름이 구름을 지탱하기 때문이다.
태양에 의해 따뜻해진 지면에서 발생하는 상승기류, 산을 올라가는 상승기류 등은 구름을 만들 수 있는 대규모 상승 기류이다. 이 외에 공기 중의 여기저기에는 소규모의 약한 위쪽 방향 흐름이 있는데 이들도 상승기류이다. 이런 소규모 상승 기류가 사실은 하늘의 구름을 지탱하는 데 꼭 필요하다.
운립은 물방울이므로 중력의 영향을 받아 아래로 낙하한다. 하지만, 운립의 크기가 매우 작기 때문에 낙하 속도는 1초에 수 mm~수 cm 밖에 되지 않는다. 공기 중에는 그 속도를 웃도는 힘을 가진 소규모 상승 기류가 여기저기 있다. 그러므로 구름은 낙하하지 않고 하늘에 떠 있는 것이다.
