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지구과학 ① 4-3. 구름, 단열팽창, 단열압축, 반열변화율, 상승응결고도
▎지구과학 ① 4-3. 구름, 단열팽창, 단열압축, 반열변화율, 상승응결고도
◈ 구름의 생성
1. 단열 변화 (斷 끊을 단, 熱 더울 열)
공기는 열전도성이 매우 낮아서 복사나 대류의 방법으로만 열을 전달한다. 따라서 공기를 대류가 일어나지 못하는 곳에 가두면 좋은 단열재의 역할을 한다. 예를 들어 창문을 이중으로 설치하면 창문과 창문 사이에 갇힌 공기는 실내와 외부의 열 교환을 차단하여 보온효과를 높여준다. 이렇듯 열의 출입이 차단된 상태에서 기체가 팽창 또는 수축될 때 일어나는 변화를 ‘단열 변화’라고 한다.
▖ 공기는 열전도성이 작아 더운 공기와 찬 공기가 만났을 때 열을 쉽게 주고받지 않으므로 찬 공기는 아래로, 더운 공기는 위로 올라가 잘 섞이지 않는다.
▖ 상승하는 공기는 상층 공기의 낮은 기압 때문에 팽창하고, 하강하는 공기는 하층 공기의 높은 기압 때문에 수축된다.
① 단열 팽창과 단열 압축
ⓐ 단열팽창
단열 상태에서 기체의 부피를 팽창시키면 기체의 온도는 낮아진다. 즉, 기체를 냉각시키지 않고 부피를 팽창시키는 것만으로 기체의 온도를 낮출 수 있다. 기체의 부피가 팽창한다는 것은 그 기체를 둘러싼 주변 공기를 밀어내는 것과 같으므로 주변 기체에 대하여 일을 한 셈이 된다. 따라서 외부에 일을 해 준만큼 기체가 가진 내부 에너지가 소모되면서 기체의 온도는 낮아진다.
▖ 고교과정에서는 열과 에너지는 같은 것으로 간주한다.
ⓑ 상승하는 공기의 단열 변화
높이 올라갈수록 기압이 낮아지므로 공기 덩어리가 상승하면 팽창한다. 이것은 외부와의 열 출입이 없는 팽창이므로 온도가 내려간다. 예를 들어 지상에서 지표의 따뜻한 온도를 전해 받은 공기 덩어리(A)가 상승하게 되면 공기 덩어리(A) 주변에서 공기 덩어리(A)를 압박하고 있던 대기(B)가 희박해지므로 공기 덩어리는 팽창을 하게 된다. 이 때 공기 덩어리 내부의 공기분자들은 공기 덩어리의 부피를 늘리기 위해서 에너지를 사용하게 된다. 그래서 공기 분자들이 갖는 평균에너지는 감소하게 되고 이에 따라 공기 덩어리의 온도도 감소하게 된다.
▖ 외부 기압감소, 공기 덩어리 부피팽창, 내부 에너지감소, 기온하강
▖ 기온이 낮아지면 포화수증기압이 작아지므로 수증기의 양이 변하지 않아도 상대 습도 높아진다. 상대 습도가 높아져서 포화상태가 되면 수증기가 응결하거나 승화하여 구름이 생긴다
ⓒ 단열압축
단열 상태에서 기체에 압력을 가해 부피를 강제로 줄이면 기체의 온도가 높아진다. 즉, 공기를 가열하지 않아도 압력을 주어 수축시키면 기체의 온도가 올라간다. 공기의 부피를 줄이기 위해서는 외부의 힘이 공기 덩어리를 압축시키기 위해 일을 해 주어야 한다. 따라서 이에 해당하는 만큼의 에너지가 기체의 내부 에너지를 증가시키고, 그 결과 기체의 온도는 상승하게 된다.
ⓓ 하강하는 공기의 단열 변화
단열팽창의 반대 현상으로 상공에 있던 공기 덩어리가 지표로 내려오면 공기 덩어리 주변의 낮은 압력이 높은 압력으로 변하게 되어 공기 덩어리의 부피가 감소하게 된다. 이 때 공기 덩어리 내부의 공기분자들은 외부로부터 일이 전달되어 내부 에너지가 증가하게 된다. 이에 따라 공기 덩어리의 온도는 상승하게 된다.
▖ 외부 기압증가, 공기 덩어리의 부피감소, 내부 에너지 증가, 기온상승
▖ 기온이 높아지면 포화수증기압이 커지므로, 상대 습도가 낮아져서 건조해지고 구름이 증발하여 사라진다.
② 단열 변화율
ⓐ 건조단열 감률 (
‘불포화된 공기 덩어리’가 상승하면 단열 팽창에 의해 기온이 100m에 1℃의 비율로 감소한다. (10℃/Km)
ⓑ 습윤단열 감률 (
‘포화된 공기덩어리’가 상승하면 단열 팽창에 의해 기온이 100m에 약 0.5℃의 비율로 감소한다.(5℃/Km) 이 때 습윤 단열 감률이 건조 단열 감률보다 작은 이유는 포화된 수증기가 응결할 때 숨은열이 방출되어 공기의 냉각률이 감소되기 때문이다.
위의 두 그래프를 보게 되면 건조단열보다 습윤단열의 그래프가 더 가파르고 변화율이 적게 관찰된다.
ⓒ 이슬점 감률
상승하는 공기 덩어리는 부피가 팽창하고 온도가 낮아지므로 포화수증기압이 낮아지게 되고, 이 때 이슬점도 낮아지게 된다. ‘이슬점(응결점)’은 100m에 약 0.2℃의 비율로 감소한다. (건조공기에서만 일어나고 포화공기에서는 일어나지 않는다.)
ⓓ 기온 감률 (
대류권의 높이에 따른 평균 온도의 분포는 지표면에서 가장 높고 높이 올라갈수록 낮아지는데, 100m 상승할 때마다 약 0.65℃씩 낮아진다. 이를 ‘대류권의 기온 감률’ 또는 ‘환경 기온 감률’이라 한다. r = 0.65℃/100m = 6.5℃/Km
③ 상승 응결 고도
불포화된 공기 덩어리가 상승하여 단열 팽창에 의해 온도가 낮아져 이슬점과 같아지면 수증기가 응결하여 구름이 만들어지기 시작한다. 이 높이를 상승 응결 고도라고 한다.
(불포화에서 포화 공기로 변하는 지점, 이슬이 맺히는 지점)
ⓐ 지상에서의 기온을 t℃, 이슬점을 
ⓑ 단열선도의 이용
기온은 건조 단열선, 이슬점은 이슬점 감률선을 따라 상승할 때 두선이 만나는 점이 상승 응결 고도가 된다.
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단열 변화와 수증기의 응결 |
아래쪽 그림과 같이 둥근 플라스크 속에 물과 향의 연기를 넣은 후, 주사기의 피스톤으로 플라스크 내의 공기를 압축시키거나, 팽창시켰을 때 온도 변화와 플라스크 내에서 일어나는 상태 변화를 관찰한다
㉠ 주사기의 피스톤을 잡아당기면 플라스크 내의 공기는 단열 팽창되며 온도가 내려간다.
㉡ 주사기의 피스톤을 밀어주면 플라스크 내의 공기는 단열 압축되며 온도가 올라간다.
㉢ 공기 중에 응결핵(향의 연기)이 충분히 들어 있으면 수증기가 응결되어 물방울이 되기 쉽다.
[결론] 단열 변화가 일어나면 온도가 변하게 되는데, 자연 상태에서 공기 덩어리가 상승할 경우 부피가 팽창하고 온도가 낮아진다.
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