날씨에 숨겨진 과학 상식 | 구름, 비, 무지개 이야기

이 글에서는 날씨에 숨겨진 과학 상식 | 구름, 비, 무지개 이야기에 대해 알아봅니다. 하늘 위 구름부터 땅을 적시는 비, 그리고 영롱한 무지개까지, 우리 주변 날씨 현상에 숨겨진 과학적 원리를 차근차근 알아봅니다.

날씨에 숨겨진 과학 상식 | 구름, 비, 무지개 이야기

구름은 어떻게 만들어질까요?

• 지표면의 물은 햇빛 에너지를 받아 기체 상태인 수증기로 변합니다 (증발). 뜨거운 아스팔트 위에서 물이 빠르게 마르는 것을 생각하면 이해하기 쉽습니다.
• 따뜻해진 공기 덩어리는 주변 공기보다 가벼워져 위로 올라갑니다 (상승 기류). 여름철 오후에 뜨거운 공기가 하늘로 솟아오르는 것을 연상할 수 있습니다.
• 높이 올라갈수록 기압이 낮아지므로 공기 덩어리는 부피가 커지고 (단열 팽창), 이 과정에서 에너지를 소모하여 온도는 낮아집니다. 압축된 스프레이를 뿌릴 때 캔이 차가워지는 것과 유사한 원리입니다.
• 공기가 특정 온도 이하로 냉각되면 더 이상 수증기를 포함하기 어려워져, 수증기가 작은 물방울이나 얼음 알갱이로 변하는 응결 현상이 일어납니다. 이때 공기 중의 작은 먼지, 꽃가루, 소금 입자 등이 핵 역할을 하여 수증기가 보다 쉽게 달라붙도록 돕습니다 (응결 핵).
• 이렇게 생성된 매우 작은 물방울이나 얼음 알갱이들이 모여 하늘에 떠 있는 것이 바로 구름입니다. 그 종류는 형성되는 고도와 모양에 따라 다양하게 나타납니다.
  • 예시: 욕실에서 뜨거운 물로 샤워할 때 거울 표면에 김이 서리는 현상 또한 수증기가 차가운 거울 표면에서 응결하여 작은 물방울로 변하는 것으로, 구름 생성과 유사한 원리입니다.

비는 어떻게 내리게 될까요?

• 구름을 이루는 초기 상태의 물방울이나 얼음 알갱이들은 크기가 매우 작고 가벼워서 공기의 부력이나 약한 상승 기류만으로도 충분히 하늘에 떠 있을 수 있습니다.
• 이 작은 입자들이 구름 속에서 서로 부딪쳐 합쳐지거나 (병합), 얼음 알갱이가 주변의 차가운 상태로 존재하는 물방울(과냉각수)을 얼어붙게 만들면서 점점 크기와 무게를 키워나갑니다 (빙정 과정).
• 입자들이 충분히 무거워져 더 이상 공중에 떠 있지 못하고 중력의 영향으로 아래로 떨어지기 시작하는데, 이것이 바로 비 또는 눈과 같은 강수 현상입니다.
• 떨어지는 도중 통과하는 대기층의 온도에 따라 강수의 형태가 달라집니다. 상층부에서 얼음 알갱이(눈 결정) 형태로 시작했더라도, 지표면 근처의 기온이 영상이면 녹아서 비가 됩니다. 기온이 낮으면 눈 그대로 내리거나, 부분적으로 녹았다가 다시 얼어붙는 과정을 거쳐 진눈깨비나 싸락눈 형태로 내리기도 합니다.
  • 예시: 열대 지방과 같이 대기 전체가 따뜻한 경우에는 주로 물방울끼리 합쳐지는 병합 과정을 통해 비가 내리며, 굵은 빗방울이 특징입니다. 반면 중위도나 고위도 지역에서는 상층부에 빙정이 존재하여 빙정 과정을 통해 눈이나 비가 내리는 경우가 많습니다.

무지개는 왜 생길까요?

• 무지개는 햇빛이 공기 중에 떠 있는 수많은 작은 물방울들을 통과하면서 빛의 굴절과 분산 현상이 일어나 만들어지는 광학 현상입니다.
• 우리가 일반적으로 보는 햇빛(백색광)은 사실 여러 가지 색깔의 빛(빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 남색, 보라)이 합쳐진 상태입니다. 빛이 공기와 물처럼 서로 다른 매질의 경계를 통과할 때 진행 방향이 꺾이는 현상을 굴절이라고 합니다.
• 이때 중요한 점은, 빛의 색깔마다 굴절되는 각도가 미세하게 다르다는 것입니다. 물방울 속으로 빛이 들어갈 때와 물방울 내부에서 반사된 후 다시 밖으로 나올 때, 각각 굴절이 일어나면서 색깔별로 빛이 분리됩니다. 이것을 분산이라고 합니다. 마치 프리즘이 백색광을 여러 색깔로 나누는 것과 같은 원리입니다.
• 이렇게 물방울에 의해 색깔별로 나뉘어진 빛들이 우리 눈에 특정한 각도로 도달하여 아름다운 색깔의 띠, 즉 무지개로 보이게 됩니다. 빨간색 빛은 가장 바깥쪽에, 보라색 빛은 가장 안쪽에 위치하게 됩니다.
• 무지개는 항상 태양의 반대쪽 하늘에서 관찰됩니다. 관찰자를 기준으로 태양이 등 뒤에 있을 때, 앞쪽에 있는 비구름이나 물방울들에 의해 햇빛이 반사 및 굴절되어 무지개가 형성되기 때문입니다.
  • 예시: 소나기가 지나간 후 아직 미세한 물방울들이 공기 중에 많이 남아 있는 상태에서 햇빛이 비치면 무지개를 쉽게 볼 수 있습니다. 또한, 맑은 날 정원에 물을 뿌리거나 분수대 근처에서 햇빛을 등지고 바라보면 작은 무지개가 만들어지는 것을 종종 관찰할 수 있습니다.

번개와 천둥은 왜 짝꿍일까요?

번개는 어떻게 만들어지나요?

• 주로 강하게 발달하는 적란운과 같은 구름 내부에서는 상승 기류와 하강 기류가 복잡하게 섞이면서 물방울, 얼음 알갱이, 싸락눈 등이 서로 충돌하고 마찰을 일으킵니다.
• 이 과정에서 전하가 분리되는데, 일반적으로 가벼운 양(+) 전하는 구름의 윗부분으로, 무거운 음(-) 전하는 구름 아랫부분으로 모이는 경향이 있습니다. 땅 표면은 상대적으로 양(+) 전하를 띠게 됩니다.
• 구름 아랫부분의 음(-) 전하와 땅 표면의 양(+) 전하 사이에 전위 차이가 매우 커지면, 이를 해소하기 위해 공기를 뚫고 순간적으로 강력한 전류가 흐르게 됩니다. 이것이 구름과 땅 사이에서 발생하는 번개(낙뢰)입니다. 구름 내부나 구름과 구름 사이에서도 방전 현상이 일어납니다.
• 번개가 치는 순간, 번개가 지나가는 길의 공기는 태양 표면 온도보다 높은 수만 도로 급격하게 가열됩니다.
  • 예시: 건조한 날 스웨터를 벗을 때 정전기가 튀는 현상이나, 풍선을 머리카락에 문지르면 달라붙는 현상도 마찰에 의해 전하가 분리되고 이동하는 원리와 관련이 있습니다. 번개는 이러한 정전기 현상이 엄청난 규모로 발생하는 것이라고 생각할 수 있습니다.

천둥소리는 왜 들릴까요?

• 번개가 발생할 때, 막대한 에너지가 방출되면서 번개 경로 주변의 공기가 초고온으로 순간적으로 팽창합니다.
• 급격하게 팽창한 공기는 주변의 찬 공기를 강하게 밀어내면서 충격파를 발생시키는데, 이 충격파가 소리의 형태로 우리 귀에 전달되는 것이 바로 천둥입니다.
• 빛의 속도(번개)는 소리의 속도(천둥)보다 훨씬 빠르기 때문에, 번개가 친 후 잠시 후에 천둥소리가 들립니다. 번개를 본 후 천둥소리가 들릴 때까지의 시간을 측정하면 번개가 친 곳까지의 거리를 대략적으로 추정할 수 있습니다 (약 3초당 1km).
• 천둥소리가 “우르르 쾅쾅”하고 길게 들리는 이유는 소리가 발생한 지점부터 우리 귀까지 도달하는 동안 산이나 건물, 구름 등에 반사되면서 여러 경로로 전달되거나, 번개 자체가 긴 경로를 따라 발생하기 때문입니다.
  • 예시: 초음속 비행기가 음속을 돌파할 때 ‘소닉붐’이라는 큰 소리가 발생하는 것과 유사한 원리입니다. 뜨거운 공기의 급격한 팽창이 강력한 음파를 만들어내는 현상입니다.

눈은 어떻게 만들어지나요? | 겨울 날씨 이야기

눈 결정은 어떻게 생겨날까요?

• 눈은 기본적으로 비와 유사한 과정으로 시작되지만, 대기 상층부의 온도가 영하로 매우 낮을 때 만들어집니다.
• 구름 속의 작은 얼음 알갱이(빙정)가 주변의 매우 차가운 상태로 존재하는 물방울(과냉각수)이나 수증기를 끌어당겨 달라붙게 하면서 성장합니다. 이것이 빙정 과정의 핵심입니다.
• 얼음 결정은 기본적으로 육각형 구조를 가지며, 성장 과정에서의 온도와 습도 조건에 따라 다양한 모양의 눈 결정을 형성합니다. 매우 낮은 온도에서는 단순한 기둥이나 바늘 모양이, 상대적으로 약간 높은 온도와 습도가 높은 환경에서는 복잡하고 아름다운 나뭇가지 모양의 결정이 만들어지기 쉽습니다.
• 이렇게 충분히 성장한 눈 결정들이 무게가 무거워져 공중에 떠 있지 못하고 지표면으로 떨어지는 것이 바로 눈입니다.
  • 예시: 눈 결정의 모양은 온도와 습도에 따라 달라져, 같은 겨울이라도 아주 추운 날 내리는 눈과 비교적 포근한 날 내리는 눈의 모양이 다를 수 있습니다. “눈 결정은 모두 다르다”는 말처럼 미세한 환경 차이가 독특한 결정 모양을 만듭니다.

눈과 비는 어떻게 결정될까요?

• 눈 결정이 지표면으로 떨어지는 동안 통과하는 대기층의 온도에 따라 최종 형태가 결정됩니다.
• 상층부에서 눈 결정으로 시작했더라도, 땅으로 내려오는 동안 영상의 기온인 따뜻한 공기층을 통과하면 녹아서 비가 됩니다.
• 만약 대기 전체가 영하권이거나, 지표면 부근의 기온이 매우 낮으면 눈 결정 형태 그대로 지표면에 도달합니다.
• 때로는 눈 결정이 내려오다 부분적으로 녹았다가 다시 차가운 공기층을 만나 얼어붙으면서 진눈깨비나 싸락눈 형태로 내리기도 합니다. 싸락눈은 직경 5mm 미만의 얼음 알갱이를 말합니다.
  • 예시: 같은 겨울철이라도 산 정상에는 눈이 쌓여 있지만, 아래쪽 마을에는 비가 내리는 경우가 있습니다. 이는 고도에 따른 기온 차이 때문에 발생하는 현상입니다.

바람은 왜 불까요? | 공기의 움직임

바람은 무엇 때문에 생기나요?

• 바람은 기본적으로 공기의 압력 차이 때문에 발생합니다. 공기는 압력이 높은 곳(고기압)에서 압력이 낮은 곳(저기압)으로 이동하려는 성질을 가지고 있습니다.
• 지표면은 태양 에너지를 받는 양에 따라 가열되는 정도가 다릅니다. 특정 지역이 더 많이 가열되면 그 위의 공기는 따뜻해지고 가벼워져 상승하게 되고, 이는 지표면 부근에 상대적으로 공기가 희박한 저기압 상태를 만듭니다.
• 반대로 덜 가열되거나 냉각된 지역의 공기는 차갑고 무거워져 하강하며, 지표면 부근에 공기가 밀집된 고기압 상태를 형성합니다.
• 이러한 기압 차이를 해소하기 위해 고기압에서 저기압으로 공기가 수평 방향으로 이동하는 흐름이 바로 바람입니다. 기압 차이가 클수록 바람은 더 강하게 붑니다.
• 지구의 자전 효과(코리올리 효과)도 바람의 방향에 영향을 미쳐, 북반구에서는 바람이 이동 방향의 오른쪽으로 휘고, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어지게 됩니다.
  • 예시: 바람 빠진 풍선의 입구를 놓으면 공기가 세차게 빠져나가는 것을 볼 수 있습니다. 이는 풍선 내부의 높은 압력에서 외부의 낮은 압력으로 공기가 이동하기 때문인데, 바람도 이와 유사한 압력 차이에 의해 발생합니다.

해륙풍과 같은 국지적 바람은 왜 생길까요?

• 낮 동안에는 지표면이 바다보다 빨리 데워집니다. 따라서 육지 위의 공기는 따뜻해져 상승하고 저기압이 형성되며, 상대적으로 차가운 바다 쪽은 고기압 상태가 됩니다. 이때 바다에서 육지로 바람이 부는데, 이를 해풍이라고 합니다.
• 밤에는 반대로 육지가 바다보다 빨리 식습니다. 이때는 차가운 육지 쪽이 고기압, 상대적으로 따뜻한 바다 쪽이 저기압이 되어 육지에서 바다 쪽으로 바람이 부는데, 이를 육풍이라고 합니다.
• 산악 지역에서도 낮에는 햇빛을 받는 산비탈이 골짜기보다 빨리 데워져 골짜기에서 산 정상 쪽으로 바람(곡풍)이 불고, 밤에는 산비탈이 빨리 식어 산 정상에서 골짜기 쪽으로 바람(산풍)이 부는 현상이 나타납니다.
  • 예시: 여름철 해수욕장에 놀러 가면 낮에는 시원한 바닷바람(해풍)이 불어오는 것을 느낄 수 있고, 밤에는 육지 쪽에서 바다로 바람(육풍)이 불어나가는 것을 느낄 수 있습니다. 이것이 대표적인 해륙풍 현상입니다.

안개는 땅 위의 구름인가요? | 안개 이야기

안개는 어떻게 만들어질까요?

• 안개는 본질적으로 지표면 부근 또는 지표면에 접하여 생성되는 구름이라고 할 수 있습니다. 구름과 마찬가지로 공기 중의 수증기가 냉각되어 작은 물방울이나 얼음 알갱이로 응결하여 시정(가시거리)을 감소시키는 현상입니다.
• 구름은 주로 공기가 상승하면서 단열 팽창으로 인해 냉각되어 생성되지만, 안개는 지표면 부근의 공기가 다양한 원인으로 직접 냉각될 때 주로 발생합니다.
• 복사 안개: 맑고 바람이 약한 밤 동안 지표면이 복사 냉각으로 빠르게 식으면서, 지표면과 맞닿은 공기도 함께 냉각되어 수증기가 응결하며 생기는 안개입니다. 주로 내륙의 분지나 강가에서 새벽녘에 잘 발생합니다.
• 이류 안개: 따뜻하고 습한 공기 덩어리가 차가운 지표면이나 수면 위를 이동할 때, 공기 아랫부분이 냉각되어 형성되는 안개입니다. 예를 들어, 따뜻하고 습한 공기가 차가운 바다 위를 지날 때 생기는 바다 안개(해무)가 대표적입니다.
• 이 외에도, 습한 공기가 산비탈을 타고 오르면서 단열 팽창으로 냉각되어 생기는 활승 안개, 전선면 부근에서 생성되는 전선 안개, 증발에 의해 수증기가 공급되어 생기는 증발 안개 등 다양한 종류가 있습니다.
  • 예시: 가을 아침, 강이나 호수 주변에 자욱하게 끼는 안개는 지표면의 복사 냉각으로 인해 발생하는 대표적인 복사 안개의 모습입니다. 서해안에서 봄철 종종 발생하는 짙은 바다 안개는 따뜻한 남서풍이 차가운 해수면 위를 지나면서 형성되는 이류 안개인 경우가 많습니다.

풀잎에 맺힌 아침 이슬 | 이슬과 서리

이슬과 서리는 어떻게 생길까요?

• 이슬과 서리는 공기 중의 수증기가 지표면 가까이에 있는 물체의 표면에 직접 응결하거나 승화하여 생기는 현상입니다. 주로 맑고 바람이 약하며 습도가 높은 밤이나 새벽에 잘 발생합니다.
• 밤사이 지표면은 복사 냉각에 의해 열을 방출하며 온도가 점차 내려갑니다. 이때, 땅 위에 있는 풀잎, 나뭇잎, 돌, 자동차 등의 물체 표면 온도도 함께 낮아집니다.
• 이슬: 물체 표면 온도가 이슬점(공기 중의 수증기가 응결하기 시작하는 온도) 아래로 내려갔으나, 어는점(0℃)보다는 높을 때, 공기 중의 수증기가 물체의 차가운 표면에 닿아 작은 물방울로 변하는 현상(응결)입니다.
• 서리: 물체 표면 온도가 이슬점 아래이면서 동시에 어는점(0℃) 아래로 떨어질 때, 공기 중의 수증기가 액체 상태를 거치지 않고 바로 얼음 결정으로 변하여 물체 표면에 달라붙는 현상(승화)입니다.
• 즉, 이슬이 맺힐 조건보다 더 차가운, 영하의 온도에서 발생하는 것이 서리입니다.
  • 예시: 가을철 맑은 날 아침, 풀잎에 영롱하게 맺혀 있는 작은 물방울들이 바로 이슬입니다. 초겨울 아침, 자동차 유리창이나 마른 나뭇가지 표면에 하얗게 얼음 결정이 달라붙어 있는 것을 볼 수 있는데, 이것이 서리입니다. 서리는 때로 아름다운 얼음 결정 무늬를 만들기도 합니다.

하늘에서 얼음덩어리가? | 우박 이야기

우박은 왜 생길까요?

• 우박은 주로 강력한 상승 기류를 동반하는 매우 큰 구름인 적란운 속에서 만들어지는 얼음덩어리입니다.
• 적란운 내부에는 매우 차가운 과냉각 물방울(영하의 온도에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 물방울)과 작은 얼음 알갱이들이 존재합니다.
• 작은 얼음 알갱이나 눈 결정이 강한 상승 기류에 의해 구름 속 높은 곳으로 끌려 올라갔다가 다시 떨어지는 과정을 반복합니다. 이 과정에서 주변의 과냉각 물방울과 충돌하면 물방울이 얼음 알갱이에 달라붙어 얼어붙으면서 점점 크기가 커집니다.
• 상승과 하강을 여러 차례 반복하면서 얼음덩어리는 양파 껍질처럼 층층이 성장하게 됩니다. 실제로 우박을 잘라 보면 불투명한 층과 투명한 층이 번갈아 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 성장 환경의 온도와 습도 차이를 반영합니다.
• 얼음덩어리가 매우 무거워져 더 이상 상승 기류가 지탱할 수 없게 되면 지표면으로 떨어지는데, 이것이 바로 우박입니다. 떨어지는 도중 녹지 않을 만큼 크기가 크거나, 지표면까지의 대기 온도가 충분히 낮으면 얼음 상태 그대로 낙하합니다.
• 우박은 주로 여름철이나 봄, 가을의 불안정한 대기 상태에서 천둥, 번개, 강한 소나기와 함께 발생하는 경우가 많으며, 농작물이나 시설물에 큰 피해를 주기도 합니다.
  • 예시: 한여름에 갑자기 돌멩이 같은 얼음덩어리가 쏟아져 내리는 경우가 있습니다. 심할 때는 골프공 크기나 야구공 크기만한 우박이 떨어져 자동차가 파손되거나 비닐하우스가 찢어지는 등의 피해를 입히기도 합니다. 작은 콩알 크기의 우박도 매우 강하게 부딪히므로 주의해야 합니다.

번개와 천둥은 왜 짝꿍일까요? | 방전과 소리의 과학

번개는 어떻게 만들어지나요?

• 주로 강하게 발달하는 적란운과 같은 구름 내부에서는 상승 기류와 하강 기류가 복잡하게 섞이면서 물방울, 얼음 알갱이, 싸락눈 등이 서로 충돌하고 마찰을 일으킵니다.
• 이 과정에서 전하가 분리되는데, 일반적으로 가벼운 양(+) 전하는 구름의 윗부분으로, 무거운 음(-) 전하는 구름 아랫부분으로 모이는 경향이 있습니다. 땅 표면은 상대적으로 양(+) 전하를 띠게 됩니다.
• 구름 아랫부분의 음(-) 전하와 땅 표면의 양(+) 전하 사이에 전위 차이(전압)가 매우 커지면, 이를 해소하기 위해 공기를 뚫고 순간적으로 강력한 전류가 흐르게 됩니다. 이것이 구름과 땅 사이에서 발생하는 번개(낙뢰)입니다. 구름 내부나 구름과 구름 사이에서도 방전 현상이 일어납니다.
• 번개가 치는 순간, 번개가 지나가는 길의 공기는 태양 표면 온도보다 높은 수만 도로 급격하게 가열됩니다.
  • 예시: 건조한 날 스웨터를 벗을 때 정전기가 튀는 현상이나, 풍선을 머리카락에 문지르면 달라붙는 현상도 마찰에 의해 전하가 분리되고 이동하는 정전기의 원리와 관련이 있습니다. 번개는 자연에서 발생하는 거대한 규모의 정전기 방전 현상이라고 할 수 있습니다.

천둥소리는 왜 들릴까요?

• 번개가 발생할 때, 막대한 에너지가 방출되면서 번개 경로 주변의 공기가 초고온으로 순간적으로 팽창합니다.
• 급격하게 팽창한 공기는 주변의 찬 공기를 강하게 밀어내면서 강력한 음파(충격파)를 발생시키는데, 이 음파가 우리 귀에 소리로 전달되는 것이 바로 천둥입니다.
• 빛의 속도(번개)는 초당 약 30만 km로 매우 빠르지만, 소리의 속도(천둥)는 초당 약 340m로 훨씬 느립니다. 따라서 번개가 친 후 잠시 후에 천둥소리가 들립니다. 번개를 보고 나서 천둥소리가 들릴 때까지의 시간을 세면 번개가 친 곳까지의 거리를 대략적으로 알 수 있습니다 (약 3초당 1km).
• 천둥소리가 “우르르 쾅쾅”하고 길게, 여러 번 들리는 이유는 소리가 발생한 지점부터 우리 귀까지 도달하는 동안 지형지물(산, 건물 등)이나 구름층에 반사되면서 여러 경로로 전달되거나, 번개 자체가 매우 긴 경로를 따라 여러 지점에서 순차적으로 발생하기 때문입니다.
  • 예시: 초음속 비행기가 음속을 돌파할 때 ‘소닉붐’이라는 큰 폭발음이 발생하는 것과 유사합니다. 번개로 인해 공기가 폭발적으로 팽창하면서 강력한 소리를 만들어내는 현상입니다.

새하얀 겨울 선물 | 눈 이야기

눈 결정은 어떻게 생겨날까요?

• 눈은 기온이 영하로 낮은 대기 상층부의 구름 속에서 만들어집니다. 그 시작은 아주 작은 얼음 알갱이, 즉 빙정입니다.
• 구름 속에는 영하의 온도에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 물방울(과냉각 물방울)과 수증기가 있습니다. 빙정은 이러한 과냉각 물방울이 달라붙어 얼거나, 주변의 수증기가 직접 얼어붙으면서(승화) 점점 커집니다.
• 얼음 결정은 기본적으로 육각형 구조를 가지고 있습니다. 이 기본 구조를 바탕으로, 성장할 때의 구름 속 온도와 수증기의 양(습도)에 따라 그 모양이 천차만별로 달라집니다.
  • 온도가 매우 낮고(-20℃ 이하) 건조하면 단순한 기둥이나 바늘 모양이 되기 쉽습니다.
  • 온도가 비교적 높고(-10℃ ~ -20℃ 사이) 습도가 높으면 우리가 흔히 보는 아름다운 나뭇가지 모양(수지상 결정)으로 성장하는 경향이 있습니다.
• 이렇게 구름 속에서 충분히 크고 무거워진 눈 결정들이 중력에 의해 지표면으로 떨어지는 것이 눈입니다.
  • 예시: “같은 모양의 눈 결정은 없다”는 말처럼, 눈 결정은 생성될 당시의 미세한 환경 조건에 따라 아주 다양한 형태를 띱니다. 현미경으로 관찰하면 그 섬세하고 독특한 구조를 확인할 수 있습니다.

눈과 비는 어떻게 결정될까요?

• 눈 결정이 하늘에서 땅으로 떨어지는 동안 어떤 온도층을 통과하는지에 따라 최종적인 강수 형태가 결정됩니다.
• 구름에서 땅까지 내려오는 전 구간의 기온이 영하이면, 눈 결정은 녹지 않고 그대로 내려와 눈으로 쌓입니다.
• 상층부에서는 눈 결정으로 만들어졌더라도, 내려오는 도중 지표면 가까이에 영상의 기온을 가진 비교적 두꺼운 따뜻한 공기층을 통과하면 완전히 녹아 비가 됩니다.
• 내려오는 경로 중간에 얇은 영상의 공기층이 있어 눈이 부분적으로 녹았다가, 다시 지표면 근처의 영하 공기층을 만나 얼어붙으면 진눈깨비(얼음 알갱이와 눈송이가 섞인 형태)나 싸락눈(투명하거나 반투명한 작은 얼음 알갱이)이 되어 내립니다.
  • 예시: 겨울철에 산 정상에는 많은 눈이 쌓여 있지만, 산 아래 마을에는 비가 내리고 있는 경우를 볼 수 있습니다. 이는 고도에 따라 기온이 다르기 때문에, 같은 강수 현상이라도 지표면에 어떤 형태로 도달하는지가 달라지는 대표적인 예입니다.

보이지 않는 공기의 흐름 | 바람 이야기

바람은 무엇 때문에 생기나요?

• 바람은 공기 덩어리의 압력 차이 때문에 발생합니다. 공기는 항상 기압이 높은 곳(고기압)에서 기압이 낮은 곳(저기압)으로 이동하려는 성질을 가지고 있습니다.
• 지표면은 위치나 지표 상태(바다, 육지, 사막 등)에 따라 태양 에너지를 흡수하고 가열되는 정도가 다릅니다. 특정 지역이 주변보다 더 많이 가열되면 그 위의 공기는 따뜻해지고 밀도가 낮아져 상승하게 됩니다. 공기가 상승한 지역은 지표면 부근의 공기 압력이 상대적으로 낮아져 저기압이 형성됩니다.
• 반대로, 덜 가열되거나 냉각된 지역의 공기는 차갑고 밀도가 높아져 하강하게 되며, 공기가 쌓이는 지표면 부근은 압력이 높아져 고기압이 형성됩니다.
• 이렇게 기압 차이가 발생하면, 이를 해소하기 위해 고기압 지역에서 저기압 지역으로 공기가 수평적으로 이동하게 되는데, 이것이 바로 우리가 느끼는 바람입니다. 두 지역 간의 기압 차이가 클수록 공기의 이동 속도, 즉 바람의 세기는 강해집니다.
• 지구가 자전하기 때문에 바람은 직선으로 불지 않고 휘어지게 됩니다(코리올리 효과). 북반구에서는 진행 방향의 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어지며 불게 됩니다.
  • 예시: 빵빵하게 바람을 넣은 풍선의 입구를 열면 공기가 세차게 빠져나갑니다. 이는 풍선 내부의 높은 압력과 외부의 낮은 압력 차이 때문에 공기가 이동하는 것으로, 바람이 부는 기본 원리와 같습니다.

해륙풍은 왜 불까요?

• 바람은 지구 전체적인 기압 배치뿐만 아니라, 지역적인 요인에 의해서도 발생합니다. 대표적인 예가 해안가에서 나타나는 해륙풍입니다.
• 낮 동안에는 흙이나 암석으로 이루어진 육지가 물로 된 바다보다 훨씬 빨리 데워집니다. 따라서 육지 위의 공기는 따뜻해져 상승하고 지표면 부근은 저기압 상태가 됩니다. 반면 상대적으로 차가운 바다 위는 고기압 상태를 유지합니다. 이때 기압 차이에 의해 상대적으로 시원한 공기가 바다에서 육지 쪽으로 불어오는데, 이를 해풍이라고 합니다.
• 밤에는 반대 현상이 일어납니다. 육지는 바다보다 빨리 식어 차가워집니다. 차가운 육지 위 공기는 하강하여 고기압을 형성하고, 상대적으로 오랫동안 온기를 간직한 바다 위는 저기압 상태가 됩니다. 이때는 공기가 육지에서 바다 쪽으로 불어 나가는데, 이를 육풍이라고 합니다.
• 이러한 해륙풍은 낮과 밤의 온도 변화가 뚜렷하고 바람이 약한 날 해안 지역에서 잘 나타납니다.
  • 예시: 여름철 낮에 해수욕장에 가면 바다 쪽에서 불어오는 시원한 바람(해풍)을 느낄 수 있습니다. 반대로 밤이나 새벽에는 육지 쪽에서 바다를 향해 바람(육풍)이 부는 것을 느낄 수 있습니다.

땅 위의 구름 | 안개 이야기

안개는 어떻게 만들어질까요?

• 안개는 지표면 가까이에 매우 작은 물방울이나 얼음 알갱이가 떠 있어 수평 시정(수평 방향으로 볼 수 있는 거리)이 1km 미만으로 짧아지는 현상을 말합니다. 본질적으로는 땅 위에 낮게 깔린 구름과 같습니다.
• 구름이 주로 공기의 상승과 단열 팽창에 의한 냉각으로 생성되는 반면, 안개는 지표면 부근의 공기가 다양한 원인으로 직접 냉각되어 포화 상태에 이르면서 수증기가 응결하여 생성됩니다. 안개가 생기는 주요 원인은 다음과 같습니다.
  • 복사 안개: 맑고 바람이 약한 밤, 지표면이 복사 냉각 효과로 빠르게 식으면, 지표면과 접한 공기층도 함께 냉각되어 수증기가 응결하여 생깁니다. 주로 가을이나 겨울철 아침, 내륙 분지나 강가에서 흔히 볼 수 있습니다. 해가 뜨고 지면이 가열되면 사라집니다.
  • 이류 안개: 따뜻하고 습한 공기 덩어리가 차가운 지표면이나 해수면 위로 이동할 때, 공기 아랫부분이 냉각되어 생기는 안개입니다. 따뜻한 남쪽 바다의 공기가 봄철 우리나라 서해안과 같이 차가운 해수면 위를 지나면서 자주 발생하는 바다 안개(해무)가 대표적입니다. 비교적 넓은 범위에 걸쳐 발생하며 다른 안개에 비해 오래 지속되는 경향이 있습니다.
  • 활승 안개: 습한 공기가 산 경사면을 따라 상승하면서 단열 팽창으로 온도가 낮아져 만들어지는 안개입니다. ‘산안개’라고도 불립니다.
• 안개는 발생 원리에 따라 다양한 종류로 나뉘지만, 모두 공기 중의 수증기가 응결하여 작은 물 입자로 변했다는 공통점을 가집니다.
  • 예시: 자동차를 운전하다가 강이나 호수 주변을 지날 때 갑자기 시야가 뿌옇게 흐려지며 안개가 자욱한 경우를 경험할 수 있습니다. 이는 주로 밤사이 복사 냉각으로 형성된 복사 안개일 가능성이 높습니다. 인천공항 등 해안가 공항에서 봄철 짙은 안개로 항공기 운항이 지연되는 경우는 이류 안개(해무)의 영향인 경우가 많습니다.

아침의 작은 물방울들 | 이슬과 서리

이슬과 서리는 어떻게 생길까요?

• 이슬과 서리는 밤 또는 새벽에 지표면 근처 물체의 표면에 공기 중의 수증기가 직접 달라붙어 생성되는 현상입니다. 둘 다 맑고 바람이 약한 날 밤의 복사 냉각과 관련이 깊습니다.
• 이슬: 밤사이 지표면과 그 위의 물체(풀잎, 나뭇잎, 거미줄, 자동차 등)는 열을 방출하며 온도가 계속 내려갑니다(복사 냉각). 물체 표면의 온도가 이슬점(주변 공기 중의 수증기가 응결하기 시작하는 온도) 아래로 떨어지지만, 아직 어는점(0℃)보다는 높을 때, 공기 중의 수증기가 물체의 차가운 표면에 닿아 액체 상태의 작은 물방울로 변하여 맺히는 것이 이슬입니다.
• 서리: 만약 물체 표면 온도가 이슬점 아래로 내려가는 동시에, 어는점인 0℃보다도 더 낮게 떨어지면, 공기 중의 수증기는 액체 상태(물방울)를 거치지 않고 곧바로 고체 상태의 작은 얼음 결정으로 변하여 물체 표면에 달라붙습니다. 이 현상을 승화라고 하며, 이렇게 생성된 얼음 결정을 서리라고 합니다. 서리는 주로 온도가 영하로 떨어지는 늦가을부터 봄 사이에 발생합니다.
• 요약하면, 이슬은 수증기가 물방울로 변하는 응결 현상이고, 서리는 수증기가 얼음 결정으로 바로 변하는 승화 현상입니다. 이는 표면 온도에 따라 결정됩니다.
  • 예시: 맑은 가을날 아침, 풀잎 끝에 송골송골 맺혀 햇빛에 반짝이는 작은 물방울들이 바로 이슬입니다. 초겨울 아침, 유리창이나 마른 나뭇가지 표면에 하얗게 얼음 가루가 붙어 있거나 성에처럼 얼음 결정이 피어난 것을 볼 수 있는데, 이것이 서리입니다.

하늘에서 떨어지는 얼음덩어리 | 우박 이야기

우박은 왜 생길까요?

• 우박은 천둥, 번개를 동반하며 강하게 발달하는 커다란 구름인 적란운 속에서 만들어지는 얼음덩어리가 지상으로 떨어지는 현상입니다.
• 적란운 속은 매우 격렬하여, 강한 상승 기류와 하강 기류가 공존합니다. 구름 내부, 특히 높은 곳에는 영하의 온도에서도 액체 상태로 존재하는 과냉각 물방울이 풍부하게 존재합니다.
• 우박의 씨앗이 되는 것은 작은 얼음 알갱이나 눈 결정입니다. 이 씨앗이 적란운 속 강한 상승 기류를 타고 구름 상층부로 끌려 올라갑니다. 위로 올라가면서 과냉각 물방울들과 충돌하면, 물방울들이 얼음 알갱이 표면에 달라붙어 얼면서 얼음층을 형성합니다.
• 어느 정도 커지면 중력에 의해 아래로 떨어지다가, 다시 강한 상승 기류를 만나면 위로 올라가는 과정을 반복합니다. 이렇게 상승과 하강을 반복하면서 과냉각 물방울을 더 많이 흡수, 얼어붙으며 크기를 계속 키워나갑니다.
• 우박을 잘라 보면 양파처럼 여러 겹의 층 구조를 가지는 경우가 많은데, 이는 상승과 하강을 반복하며 다양한 온도와 습도 조건의 구름 영역을 통과하며 성장했기 때문입니다. 불투명한 층은 과냉각 물방울이 빠르게 얼어붙을 때, 투명한 층은 물방울이 천천히 얼어붙거나 젖은 상태로 성장할 때 형성됩니다.
• 마침내 얼음덩어리가 너무 크고 무거워져 상승 기류가 더 이상 떠받치지 못하게 되면 지표면으로 낙하합니다. 땅으로 떨어지는 도중에 기온이 높아 녹지 않거나, 워낙 크기가 커서 다 녹지 않고 얼음 상태로 떨어지는 것이 우박입니다.
• 우박은 주로 지표면 기온이 높은 여름철에 대기가 매우 불안정할 때 발생하기 쉬우며, 짧은 시간에 집중적으로 쏟아져 농작물, 비닐하우스, 자동차 등에 큰 피해를 줄 수 있습니다.
  • 예시: 한여름 뜨거운 날씨에 갑자기 하늘에서 콩알만 한 크기부터 심하면 골프공이나 테니스공 크기의 얼음 덩어리가 쏟아져 자동차 유리창을 깨뜨리거나 농작물을 망가뜨리는 경우가 있습니다. 이것이 우박이며, 크기가 작더라도 높은 고도에서 떨어지므로 맞으면 위험할 수 있습니다.

이 글에서는 날씨에 숨겨진 과학 상식 | 구름, 비, 무지개 이야기에 대해 알아보았습니다. 감사합니다.