안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
구름은 아주 작은 물방울들이 하늘에 떠 있는 것입니다. 그리고 비와 눈도 구름에서 만들어지지요. 구름은 과연 어떻게 만들어지고, 비나 눈은 어떻게 만들어져 내리는지에 대해 공부해봅시다.
*** 구름의 생성
■ 단열 팽창과 온도 변화
구름의 생성 과정을 이해하기 위해서는 먼저 '단열 팽창[adiabatic expansion, 斷熱膨脹]'에 대해 알아야 합니다. 공기가 외부와 열의 이동이 차단된 상태(단열 상태)에서 공기가 팽창하는 것을 말합니다.
지표면에 있던 공기가 위로 올라가게 되면 기압이 낮아지게 됩니다. 즉, 누르는 힘이 작아지는 거죠. 누르는 힘이 작아지면 공기의 부피(크기)가 커지게 되겠지요. 이때 팽창하려는 에너지가 필요한데 이 에너지를 외부에서 받는 것이 아니라 외부와 단열된 상태에서 공기 내부에 있는 에너지를 쓰게 됩니다. 팽창을 위해 에너지를 사용한 만큼 공기 내부 온도가 내려가는 것이죠.
즉, 단열 팽창을 하게되면 부피가 증가한 만큼 온도가 내려가게 됩니다.
■ 구름이 만들어지는 과정
수증기를 가지고 있는 공기가 상승하는 조건이 되면 단열 팽창으로 부피가 커지면서 온도가 점점 낮아지게 됩니다. 그렇게 계속 올라가다보면 온도가 점점 떨어져 수증기가 물방울로 변하는(응결) 이슬점 온도에 도달하게 되겠죠. 이때부터 구름이 만들어지게 됩니다. 아래 노란 박스에 있는 순서를 꼭 알아두셔요!
공기 상승 → 단열 팽창 → 온도 하강 → 이슬점 → 수증기 응결 → 구름 생성
■ 구름이 만들어지는 조건
구름은 수증기를 가진 공기가 '올라가야' 만들어집니다. 결국 공기가 상승하는 조건에서 만들어지게 되는거죠. 이런 경우를 몇가지 알아봅시다.
1) 지표면이 뜨거워 질 때
여름철 같이 지표면이 뜨거워지면 공기가 상승하는 경우가 많아지겠지요. 그래서 여름에 비 구름이 더 많이 만들어진답니다.
2) 공기가 산을 타고 올라갈 때
공기가 높은 산의 능선을 타고 올라갈 때도 구름이 만들어집니다. 한라산에 구름이 걸려있는 모습을 자주 보실 수 있을거에요 ^^
3) 찬 공기와 따뜻한 공기가 만날 때
찬 물과 따뜻한 물이 만나면 찬 물이 밑으로가고, 뜨거운 물이 위로 올라오는 실험을 초등학교 때 해보셨을 거에요. 공기도 마찬가지 입니다. 찬 공기와 따뜻한 공기가 만나면 찬 공기가 뜨거운 공기 위로 올라가면서 구름이 만들어질 수 있습니다.
4) 저기압 중심일 때
아직 고기압과 저기압에 대한 학습 자료를 발행하지 않아서 죄송합니다 ㅜㅠ
간단하게 설명을 드리자면 고기압 중심에서는 공기가 내려가고, 저기압 중심에서는 공기가 올라갑니다. 당연히 저기압 중심에서 구름이 많이 만들어지고 날씨가 흐려지겠지요. '오늘 우리 엄마가 저기압이야'라고 하는 것처럼 저기압 중심은 흐리고 비가오는 등 날씨가 좋지 않답니다.
*** 비, 눈의 생성
비나 눈이 오는 것을 '강수'라고 합니다. 이렇게 구름 속에서 비나 눈이 만들어지는 과정을 설명한 이론을 '강수 이론'이라고 해요. 날씨가 더운 저위도 지방의 강수 이론과 날씨가 비교적 추운 지방인 중위도, 고위도 지방의 강수 이론을 구분해서 알아보도록 합시다.
■ 빙정설 - 중위도 · 고위도 지방
빙정설이라는 강수 이론을 이해하기 위해서는 두 가지 새로운 용어에 대해서 알아야 해요.
▶ 빙정 [ice crystal, 氷晶]
; 수증기가 얼어서 만들어진 작은 얼음 결정
▶ 과냉각 물방울
; 0℃ 이하 온도에서도 얼지 않고 액체 상태로 있는 물방울, -40℃ ~ 0℃ 사이에 존재
과냉각 물방울에 있는 수증기가 빙정에 달라붙어서 무거워지면 눈이 만들어져서 떨어지고, 이 눈이 내려오다가 녹으면 비가 된다는 강수 이론이 바로 '빙정설'입니다. 날씨가 비교적 차가운 중위도나 고위도 지방에서의 강수 현상을 설명한 것이죠.
■ 병합설 - 저위도 지방
따뜻한 저위도 지방에서는 구름 속에 빙정이 존재하지 않습니다. 여러 크기의 물방울들이 서로 뭉쳐서(병합) 커지고 무거워지면 비가 되어 내린다는 '병합설'이 저위도 지방의 강수 이론입니다.
이번 학습 자료에서 기억해야할 포인트를 다시 한 번 살펴볼게요.
- 구름이 만들어지는 과정
- 구름이 만들어지는 경우 (공기가 상승하는 경우)
- 병합설과 빙정설의 차이 (그림도 꼭 비교하세요!)
구름이 만들어지는 과정은 서술형 문제로도 출제가 자주 되고 있으니 꼭 암기하셔서 노력한 만큼의 좋은 결과 얻으시길 바랍니다 ^^
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