지구과학 ① 4-4. 구름, 응결핵, 빙정핵, 안정기층, 불안정기층, 기온역전층

▎지구과학 ① 4-4. 구름, 응결핵, 빙정핵, 안정기층, 불안정기층, 기온역전층

 

◈ 구름의 생성 과정

 

1. 구름의 발생 과정
구름이 발생하기 위해서는 상층의 공기 덩어리가 이슬점 이하로 낮아지거나 지표면으로부터 공기 덩어리가 상승해야 한다. 대부분의 구름은 지표면 부근의 공기 덩어리가 상승하여 단열 팽창에 의해 기온이 낮아져서 생긴 것이다.

① 응결핵과 빙정핵
ⓐ 응결핵 : 수증기의 응결을 도와주는 요소
포화된 공기 중에서 수증기가 물방울로 응결하기 위해서는 수증기의 응결을 도와주는 , 질소산화물, 토양입자, 매연입자 등과 같은 흡습성 물질이 응결핵 역할을 한다.
ⓑ 빙정핵 : 수증기의 빙정을 도와주는 요소
수증기가 얼음결정이 되는 데 필요한 화산재, 먼지, 그을음 등과 같은 물에 잘 녹지 않는 물질이 빙정핵 역할을 한다.

 

 

② 구름이 생기는 경우
ⓐ (가)는 여름철 지표면의 균등하지 않은 가열로 공기가 상승할 때 적운이나 적란운이 생성된다.
ⓑ (나)는 공기가 산의 경사면을 타고 상승할 때 단열 팽창에 의해 냉각되어 산 정상에 구름이 생성된다.
ⓒ (다)는 찬 공기와 따뜻한 공기가 만나는 전선면을 타고 따뜻한 공기가 상승하거나 찬 공기가 따뜻한 공기를 밀어 올릴 경우 전선면에서는 많은 구름이 생성된다.
ⓓ (라)는 저기압 중심 부근에서 공기가 수렴하여 상승할 때 단열 팽창에 의해 냉각되어 구름이 생성된다.

 

 

 

2. 기층의 안정도
공기 덩어리가 가열되거나 냉각되면 주위 공기의 온도 분포에 따라 연직 방향으로 상승하거나 하강한다.
① 안정한 기층
높이에 따른 기온 감률(0.2℃/100m)이 건조 단열 감률보다 작으면 대기는 안정해 진다.
즉, 불포화 상태의 공기가 상승하면 건조 단열 감률에 따라 100m 상승할 때마다 1℃씩 낮아진다. 그러나 상승한 공기는 주변 공기에 비해 기온이 낮으므로 상대적으로 무거워 더 이상 올라가지 못하고 다시 원래의 위치로 내려오게 된다.
따라서 공기의 상승 작용이 잘 일어나지 못하므로 안정된 기층이 된다. 안정한 기층에서는 수증기가 응결되어도 옆으로 퍼지는 얇은 층운이 생성된다.

ⓐ 공기 덩어리의 연직 운동이 억제된다.
ⓑ 상승 기류가 없어 바람이 불지 않고, 연기가 낮게 깔리며, 상공의 안정한 층에서는 두께가 얇은 층운형 구름이 생긴다. (좌우로 퍼지는 구름)

 

 

② 불안정한 기층
불포화 상태의 공기가 지표면으로부터 상승하면 공기의 온도는 건조 단열 감률에 따라 100m 상승할 때 마다 1℃씩 낮아진다. 그런데 높이에 따른 기온 감률(1.5℃/100m)이 건조 단열 감률 보다 큰 경우에 상승을 시작한 공기는 주변의 공기에 비해 상대적으로 높은 온도를 유지하면서 계속 상승한다. 따라서 대기는 불안정한 상태가 된다. 이러한 대기의 상태는 한낮에 지표면이 뜨겁게 가열될 때나 지표면 부근의 온도가 상층의 대기에 비해 훨씬 높을 때 나타나며, 적운과 적란운을 발생시킨다.

ⓐ 공기 덩어리의 연직 운동이 활발하게 일어난다.
ⓑ 상승 기류가 활발하여 바람이 강하고, 연기가 위로 퍼져 나가며, 두께가 두꺼운 적운형 구름이 생긴다. (수직으로 발달한 뭉게구름)

 

 

③ 중립기층
기온 감률이 건조 단열감률과 같고, 상승시킨 공기 덩어리의 온도가 주위 공기의 온도와 같아서 원래의 위치에 머물게 된다. (층운형 구름)

 

 

④ 기온의 역전층
대류권 계면까지는 높이에 따라 기온이 평균 0.65℃/100m의 비율로 낮아진다. 그런데 바람이 없는 맑은 날 밤에 지표면 부근의 공기 덩어리는 복사 냉각되어 높이에 따라 기온이 높아지는 층이 형성되는데, 이를 기온의 역전층이라고 한다.
ⓐ 매우 안정하여 대류 현상이 잘 일어나지 않으므로 배출된 오염 물질이 퍼져 나가지 못하고 지표면 부근에 쌓여 대기 오염이 심해진다.
ⓑ 스모그(smog)현상, 복사 안개나 이슬 등이 생기기 쉽다.
ⓒ 지표면 부근에 형성된 역전층은 일출 후에는 지표면부터 소멸된다.

 

 

 

 

구름의 발생과정

 

다음 그림과 같이 높이에 따른 단열선과 기온선이 분포할 때, 구름의 발생 과정에 대하여 알아보자.

 

 

 

㉠ 높이에 따라 TT`곡선과 같이 기온이 분포되어있는 기층이 지표면으로부터 가열되어 지면의 공기가 A점의 온도까지 높아지면, 주위의 온도 T보다 온도가 높으므로 가벼워져 상승하게 된다.
㉡ 상승하는 공기 덩어리는 처음에는 건조 단열 감률(A-B선)에 따라 온도가 낮아지고, 상승 응결 고도인 B점에 이르면 상승하는 공기 덩어리의 온도는 습윤 단열 감률(BCD선)에 따라 변한다.
㉢ C점의 높이에 이르면 상승하는 공기 덩어리가 주위 공기보다 차가워지므로 더 이상 상승하지 못한다. 따라서 B점과 C점 사이에서 구름(적운)이 생성된다.
[결론] 상승하는 공기 덩어리는 단열 팽창에 의해 온도가 낮아져 이슬점과 같아지면 수증기가 응결되어 구름이 생성된다.

 

 

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