강우 구름이 형성되는 과정 설명 (간단 정리)

강수란

대기 중의 수증기가 응결되어 물방울이나 빙정이 된 후 지표면으로 떨어지는 현상으로 흔히 비나 눈, 우박 등을 의미한다.

강수 현상이 생기기 위해서는 우선 구름이 필요하다.

구름은 미세한 물방울이나 얼음 결정과 같은 구름 입자들이 집합해 있는 것으로 구름의 형성은 수증기의 포화 과정을 통해 설명할 수 있다.

 

포화 상태 : 주어진 온도에서 대기 중의 수증기가 최대로 포함되었을 때

포화 수증기량 : 이때의 수증기의 양 

포화 수증기압 : 수증기에 의한 압력 

(포화 : 더 이상의 양을 수용할 수 없이 가득 참)

 

포화 수증기량과 포화 수증기압은 기온에 비례한다.

 

대기 중의 수증기압이 포화 수증기압에 도달하게 되면 초과된 양의 수증기는 응결되어 구름 입자를 형성하고 포화 수증기량과 포화 수증기압은 유지된다.

대기 중의 수증기압이 포화 수증기압보다 낮은 상태에서도 온도를 낮추면 포화 수증기압이 낮아져서 수증기를 응결시키는 것이 가능하다.

일반적으로 대기가 상승하면 대기의 온도는 낮아지게 된다.

대기의 온도가 낮아져서 수증기가 응결되는 온도인 이슬점에 이르면 수증기가 응결되면서 구름 입자가 생성된다.

이 구름 입자가 모여서 구름을 이루는 것이다.

구름 입자는 중력의 영향으로 아래로 떨어지려고 하지만 상승 기류의 영향을 받아 공중에 떠 있을 수 있다.

 

수증기의 응결이 진행되기 위해서는 응결핵이 필요하다.

응결핵 :  수증기를 흡착하여 구름 입자가 형성되게 하는 핵의 역할

 

응결핵이 없으면 대기 중 수증기의 양이 포화 상태를 넘어 과포화 상태에 이르더라도 수증기의 응결이 일어나지 않는다.

구름 응결핵의 역할을 하는 물질은 먼지, 해염, 황산 및 초산 등의 흡습성 물질로, 주변의 수증기를 빨아들여 구름 입자가 잘 생성될 수 있도록 한다.

 

대기의 온도가 매우 낮은 액체 상태의 구름 입자는 얼어서 빙정이 되는데 이를 위해서는 빙정핵이 필요하다.

 

과냉각 물방울 : 빙정핵이 존재하지 않으면 대기 온도가 영하로 내려가도 구름 입자는 보통 액체로 존재한다. 

 

이처럼 구름은 물방이나 얼음 결정의 집합이지만 모든 구름이 강수 현상을 일으키는 것은 아니다.

 

평소에는 구름 입자의 크기가 매우 작기 때문에 구름 입자를 떠받치는 상승 기류의 힘과 구름 입자를 잡아당기는 지구의 중력이 평형을 이루고 있기 때문이다.

따라서 강수 현상이  나타나기 위해서는 구름 입자가 발달하여 상승 기류보다 중력의 영향을 더욱 많이 받을 수 있어야 한다.

 

구름 입자의 발달 과정에 관한 대표적인 이론으론 빙정설과 병합설이 있다.

 

빙정설은 중위도 및 고위도 지방의 강수 과정을 설명하는 이론으로, 빙정 표면에서의 포화 수증기압이 물보다 상대적으로 낮다는 사실에 기초한 것이다.

중위도 및 고위도 지방의 차가운 구름에는 물방울과 빙정, 과냉각 물방울이 공존하고 있는데 영하 40℃ 이하인 구름의 상부는 빙정,  0℃ 이사인 하부는 물방울,  중간에는 빙정과 과냉각 물방울이 함께 존재하고 있다.

영하 40~0℃의 구간에서는 수증기 분자들이 증발과 응결을 통해 기체 상태와 액체 상태를 활발하게 오가고 있는데 포화 수증기압의 차이로 과냉각 물방울이 먼저 증발하여 수증기가 되고 이는 빙정 표면에 달라붙게 된다.

빙정은 표면에 달라붙은 수증기 분자로 인해 과포화 상태가 되며 수증기는 그대로 빙정에 침적되면서 빙정이 점점 커진다.

이러한 과정이 반복되어 무거워진 빙정은 중력에 의해 낙하하게 되는데 해당 지역의 기온이 낮으면 빙정의 상태를 유지하여 눈이 되고 기온이 높은 경우에는 낙하 도중 녹아서 비가 된다.

 

병합설은 주로 저위도 지방의 강수 과정을 설명하는 이론으로, 구름 입자들의 충돌 및 병합으로 인해 구름 입자가 커진다는 것이다.

저위도 지방에서 생성된 구름은 온도가 높기 때문에 빙정이 존재하지 않고 모든 구름 입자는 물방울의 형태로 존재한다.

이 구름 입자들은 모두 크기가 다르고 구름 입자의 크기가 커질수록 낙하하는 속도도 빨라진다.

구름 입자의 낙하 속도 차이로 인해 구름 입자 간의 충돌이 발생하게 되며 속도가 빠른 구름 입자들은 다른 구름 입자들과 충돌하는 횟수가 많아져서 더 크게 커지게 된다.

또한 구름 입자가 구름 내부에 오래 머물수록 충돌 및 병합의 기회가 많아지므로 구름이 두꺼울수록  구름 입자가 커져서 빗방울이 굵어질 수 있고, 상승 기류가 강한 경우에도 구름 입자의 낙하가 지연되어 더 크게 발달할 수 있다.

이렇게 일정 크기 이상으로 발달한 구름 입자는 상승 기류보다 중력의 영향을 더 받게 되어 지표면으로 떨어지게 된다.