차가운 음료수 캔을 책상에 두면 캔 표면에 물방울이 맺힌다. 이것은 공기 중의 수 증기가 차가운 표면에 닿아 냉각되면서 응결하였기 때문이다. 하늘 높이 떠 있는 구 름도 응결로 생기는데, 구름은 공기 덩어리가 냉각되어 생성된 물방울이나 얼음 알갱 이로 되어 있다. 공기 덩어리가 냉각되기 위해서는 어떤 과정을 거쳐야 하는지 알아보자.
1 단열 변화
공기 덩어리가 외부 환경과 열 교환 없이 팽창하거나 수축하면서 나타나는 기온 변 화를 단열 변화라고 한다. 단열 변화 과정에서 나타나는 온도 변화를 알아보자. 공기 덩어리가 상승하면 단열 변화를 거치면서 기온이 낮아진다. 이것은 공기 분자들 의 운동 에너지 일부가 공기 덩어리를 팽창시키는 데 사용되었기 때문이다. 반대로 단 열적으로 하강하는 공기 덩어리의 기온은 상승한다. 이것은 공기 덩어리가 하강할 때 압축되면서 공기 분자들의 운동 에너지가 증가하기 때문이다.
2 단열 변화에서 기온과 습도의 변화
단열적으로 공기 덩어리가 상승하거나 하강할 때 나타나는 부피 변화를 단열 팽창과 단열 압축이라고 한다. 이때 공기 덩어리의 기온은 단열 팽창할 때 내려가고, 단열 압축할 때 올라간다.
| 건조 단열 감률, 이슬점 감률, 습윤 단열 감률 |
건조 공기는 1 km 단열 상승할 때마다 기온이 약 10 ¾씩 하강하며, 1 km 단열 하 강할 때마다 약 10 ¾씩 증가한다. 건조한 공기 덩어리가 단열 상승하거나 하강할 때 고도에 따른 기온 변화를 건조 단열 감률(C¶)이라고 한다. 건조 단열 감률은 때와 장소에 따라 변하지 않고 일정한 값을 가진다. 상승하는 공기 덩어리가 냉각되어 기온과 이슬점이 같아지면 포화 상태가 되고 수증 기 응결이 일어나 구름이 생성된다. 이때 공기 덩어리의 이슬점은 1 km 상승할 때마다.
2 ¾씩 낮아지는 이슬점 감률을 따른다. 구름이 생성되기 시작하는 고도를 상승 응결 고 도라고 하는데, 상승 응결 고도 H(m)는 상승 전 기온 T(¾)와 이슬점 T¶(¾)를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다. 공기 덩어리가 상승 응결 고도에 이르면 포화 상태에 도달하므로 기온 감률은 지금까지의 건조 단열 감률보다 작아진다. 왜냐하면 응결 과정에서 발생한 숨은열이 팽창 과정에서 생긴 냉각률을 상쇄하기 때문이다. 따라서 포화 상태의 공기 덩어리는 더 이상 건조 단열 감률을 따르지 않고 1 km 상승할 때마다 약 5 ¾씩 하강하는 습윤 단열 감률(C§)을 따른다.
| 단열 변화에서 습도 변화 |
수증기를 포함한 불포화 공기 덩어리가 상승하면 처음에는 건조 단열 감률을 따라 냉 각 된다. 이때 기온과 이슬점 차이가 줄어들면서 상대 습도는 증가한다. 공기 덩어리가 상승 응결 고도에 도달하면 상대 습도는 100 %가 된다. 공기 덩어리 가 계속 상승한다면 수증기가 응결하는 동안 상대 습도는 100 %를 유지한다. 왜냐하면 공기 덩어리가 팽창하면서 기온이 하강하기 때문이다.
3 높새바람(푄)
건조 단열 과정과 습윤 단열 과정을 이용하면 수증기를 포함한 공기가 산을 넘어갈 때 나타나는 기온 변화를 설명할 수 있다. 그림 V-3은 해수면에서 기온 20`¾인 공기 덩어리가 지형의 영향으로 상승할 때의 변화를 나타낸 것이다. 이때 산 정상에 이르면 공기 덩어리가 포함하고 있던 수증기가 대부분 비가 되어 빠져나갔다고 가정한다. 바람이 불어 가는 쪽에서는 공기 덩어리가 건조 단열 과정으로 하강하므로 지표면에 도달하면 처음 기온보다 더 높아지고 건조해진다. 이렇게 하여 바람이 불어 가는 쪽에 부는 따뜻하고 건조한 바람을 높새바람(푄)이라고 한다. 우리나라는 동풍이 지배 적일 때 동해안에서 태백산맥을 넘어오는 고온 건조한 높새바람이 분다. 장기간 푄이 나타날 경우 바람이 불어 가는 쪽에는 건조한 사막이 형성되는데 이것을 비 그늘 사막이라고 한다. 몽골의 고비 사막, 중국의 타커라마간 사막은 비그늘 사 막의 대표적인 예이다.
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