응결 , 구름 , 강수

1. 응결, 구름, 강수 -물의 순환 -물의 분포 응결로 인한구름 방울의 성장 -충돌 병합으로 인한 구름 방울의 성장 침적,상고대화,부착으로 인한 구름 방울의 성장 -강수의 형태 강수의 측정

2. 물의 분포 • 물의 분포 -지구상에 존재하는 물의 총량은 약 13억 6000만㎦이고, 이양의 97.2％ 이상이 해수이며, 담수는 나머지2.8％에 불과하다. 담수 중의 약 77％는 극지방의 빙산과 빙하로 존재하고 약 22％는 지하수이며 약1％는 지표수이다.

3. 이상기체와 이상기체 상태방정식 • 이상기체란 이상기체의 상태방정식을 정확히 만족시키는 가상적인 물질이다. 실제기체와 많은 차이점에도 불구하고 이상기체의 가정은 기체의 역학적 운동을 통해 여러 물리적인 변화를 예측한다는 점에서 매우 유용하다. 즉 이상기체는 복잡한 기체의 운동을 역학적으로 서술할 수 있는 기본 모형을 제시하는 것이다. • 문 : 이상기체와 실제기체의 차이를 말해보라. 답 : 이상기체는 질량과 에너지를 갖고 있으나 자체의 부피를 갖지 않고 분자간 상호작용이 존재하지 않는 가상적인 기체입니다. 그러나 실제기체는 부피를 가지며 분자간 상호작용이 있으므로 이상기체와 상당한 차이를 보입니다. 물론 실제기체 중에서 분자량이 작은 기체일수록 이상기체와 가까운 상태를 보입니다. 또 이상기체는 뉴턴의 운동법칙에 따라 완전 탄성충돌을 하므로 에너지 손실이 없고 분자간 인력도 없으므로 온도와 압력을 변화시켜도 고체나 액체 상태로 변하지 않고 기체로 남으며 절대 0도에서 부피가 완전히 0이 됩니다. 그러나 실제기체는 충돌시 에너지 손실이 일어날 수 있고 온도와 압력에 따라 상태 변화를 일으키며 부피가 0이 되는 일은 없습니다. 이상기체의 성질을 갖는 기체는 존재하지 않지만 실제기체가 상당히 높은 온도와 낮은 압력 상태에 있다면 분자간의 거리가 멀고 기체분자의 속도가 빨라서 분자간 상호작용을 극복할 수 있습니다. 이러한 조건에서 실제기체가 이상기체에 근접한다고 볼 수 있습니다.

4. 문 : 이상기체 상태방정식에 대하여 말해보라. • 답 : 이상기체의 상태방정식은 간단하게 PV=nRT로 말할 수 있습니다. 이 식은 보일의 법칙과 샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙을 종합해서 나온 것입니다. 보일의 법칙은 ‘일정한 온도에서 기체의 압력(P)과 부피(V)는 반비례한다’는 것입니다. 이는 ‘PV=일정’으로 요약할 수 있습니다. 샤를의 법칙은 ‘압력이 일정할 때 기체가 차지하는 부피는 절대온도에 비례한다’는 법칙으로 ‘V/T = 일정’으로 말할 수 있습니다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙을 종합하면 온도, 압력, 부피의 상관관계( 보일-샤를의 법칙 PV/T = P1V1/T1=R)를 얻을 수 있습니다. 또한 아보가드로의 법칙에 의하면 0℃ (절대온도 273K), 1기압 표준상태에서 기체 1몰의 부피는 그 종류에 관계없이 22.4L이므로 이를 대입하면 기체상수 R은 0.082가 됩니다(R=1기압 ×22.4L /273K=0.082). 또한 기체의 부피는 몰수에 비례하므로 결국 식은 PV/T = nR이 됩니다. 이처럼 이상기체의 상태방정식은 세가지 법칙을 종합해서 유도해낸 것입니다.

5. 구름방울의 성장 • 낙하하는 물체는 중력과 동시에 공기로 인한 저항이나 마찰을 받게 된다. 낙하 속도가 증가하면 저항력도 증가하며 저항력과 낙하속도가 같아지면 가속이 멈추게 되는데 이 때 물체의 속도를 종단속도(terminal velocity)라고 한다. • 종단속도는 입자가 크면 클 수록 빨라지는데 구름 입자는 매우 작기 때문에 종단속도는 매우 작고, 지표까지 떨어지기가 어렵다. • 빗방울은 중력이 상승 기류의 효과를 상쇄할 수 있을 정도로 충분히 클 때 지표면으로 떨어 진다. 그럼 물방울이 성장하는 과정을 살펴보자.

6. 응결에 의한 구름방울의 성장 • 응결에 의한 성장 공기가 상승하면서 단열냉각에 의해 구름방울이 생성될 때는 응결핵에서 이루어진다. 그러나 응결고도 위로 30~40m 정도 상승하면 가용한 응결핵은 수분을 끌어당겨 응결시키고, 추가적인 응결은 기존의 수적 위에서만 일어날 수 있다. 응결은 아주 작은 수적을 빨리 성장시키지만, 20μm 정도까지 이르면 더 이상 응결에 의해 잘 성장 하지 않고 20μm 정도의 크기로는 비나 눈이 되어 내릴 수가 없다. • 응결 이외의 구름을 성장시키는 두 가지 과정이 있으며, 이들의 상대적인 중요성은 구름의 온도 특성에 따라 달라진다는 것이다.

7. 응결에 의한 구름방울의 성장 • 열대 지방에서 대부분의 강수구름과 중위도 지방에서의 많은 강수구름은 온난운(warm cloud)이다. 온난운이란 구름전체의 온도가 0℃보다 높은 구름이다. 온난구름 내에서는 충돌-병합 과정(collision-coalescence process)이 강수를 일으키며, 이 과정은 수적의 크기에 따라 종단속도가 다르기 때문에 일어난다. 여러 수적 중에서 가장 큰 수적이 구름 속에서 떨어질 때를 생각해보면, 가장 큰 수적은 낙하하면서 최대 종단속도를 가지기 때문에 그 낙하 경로 내에 있는 더 작은 수적들을 추월하게 되고 이러한 추월이 충돌-병합이 일어날 수 있게 한다.

8. 온난운에서 성장 과정-충돌 • 충돌: 수집자 수적이 떨어질 때 지나가는 길에 있는 몇몇 작은 수적과 충돌한다. 이때 충돌 가능성은 수집자 수적의 절대적 크기와 그 밑의 수적에 대한 수집자 수적의 상대적 크기에 달려 있다. 이때 충돌은 두 수적의 크기가 차이가 너무 크게 나거나 크기가 거의 같으면 충돌은 일어 나지 않는다. 수집자 수적의 질량이 다른 수적의 질량보다 크기 때문에 종단 속도가 커서 보다 작은 수적들과 충돌 할 수 있다. 수집자 수적이 떨어지면서 밑의 공기를 압축. 압력 경도를 증가시켜서 그 밑의 작은 수적들을 경로 밖으로 밀어냄. 작은 방울들은 밖으로 쓸려나가서 충돌을 피한다.

9. 온난운에서 성장 과정-병합 • 병합: 수집자 수적과 더 작은 수적이 충돌할 때, 둘은 하나로 합쳐져서 더 커지거나, 튕겨서 날라간다. 대부분의 경우 충돌해서 서로 착 달라붙는다. 이 과정을 병합이라고 한다. • 앞에서 살펴본 충돌과 병합 과정은 온난운이 지배적인 열대 지방에서 강수의 주요한 메커니즘을 이룬다.

10. 차고 한랭한 구름 내에서의 성장 과정 • 중위도 지방에서 대부분의 구름의 온도는 0℃ 보다 낮다. 중위도 지방 구름 중의 일부분은 구름 전체의 온도가 0℃ 보다 낮아서 전부 빙정, 과냉각 수적, 또는 두 개의 혼합으로 구성되어 있는데 이러한 구름을 한랭 구름(cold clouds)또는 찬 구름이라고 한다. • 구름 아래 부분의 온도가 0℃ 보다 높고 그 보다 높은 곳에서는 온도가 어느점보다 낮다. 이런 구름을 서늘한 구름이라고 한다.

11. 차고 한랭한 구름 내에서의 성장 과정 • 잘 발달된 적운형 구름은 낮은 부분에서는 거의 수적으로만 존재하고, 중간 부분에서는 과냉각 수적과 빙정이 함께 공존하며, 윗부분은 전부 빙정으로만 구성되어 있다. • 빙정과 과냉각 수적의 공존은 적도 지방을 제외한 대부분의 강수 발달에 있어서 필수적. • 중위도 지방의 구름에서 수적과 빙정이 강수를 일으킬만한 크기로 성장하는 과정은 베르셰론(Bergeron) 과정이라 한다.

12. 구름 속에 수증기압은 빙정에 대한 수증기압보다 훨씬 크다. → 대기 중에서 수증기의 일부를 빙정에 침적 시킨다. →눈 결정이 성장하게 된다. 구름 속에 수증기압은 과냉각 수적의 포화수증기압과 같다. 공기 중에 수증기량이 감소 하고, 이로 인해 평형 상태를 회복하기 위해서 수적이 내어줄 수 있는 만큼 수적에서 증발이 일어난다. 수적으로 부터 증발은 대기 중에 수증기를 증가시키기 때문에 빙정에 더 많은 침적을 일으킨다. 차고 한랭한 구름 내에서의 성장 과정-빙정설-베르세론과정 • 베르셰론 과정의 기본 원리는 같은 온도에서 빙정 위에서의 포화수증기압이 과냉각 수적 위에서의 포화수증기압보다 작다는 것이다. 수증기의침적으로 인한 빙정의 성장은 일반적으로 매우 약한 강수를 일으키는 정도이다. 그럼, 빙정의 성장을 가속 시키는 과정에 대해서 알아보자.

13. 수증기압-온도 관계, 포화

14. 강수의 형태-눈 • 열대 지방에서 강수는 대부분 충돌-병합 과정에서 일어나기 때문에 강수는 비의 형태로 나타난다. • 중위도 지방에서는 강수는 강수 입자가 낙하하면서 통과하는 곳의 온도 연직 분포에 다라 고체 혹은 액체로 나타난다. • 눈: 침적, 상고대화, 부착을 통하여 빙정의 성장에 의해 만들어 진다. 구름 속에서 빙정은 형성될 때에 온도와 습도에 따라 육각형, 기둥, 나뭇가지 모양 등으로 나타난다. 만약 성장 당시에 주위의 습도와 기온이 바뀌게 되면 여러 개의 복잡한 모양의 혼합으로 발달할 수 있다.

15. 강수의 형태-비 • 열대 지방에서 강수는 온난 구름에서 형성되고 구름 하부에서의 온도는 어는점보다 충분히 높아 비가 운저를 떠난 후에도 얼지 않아 강수는 비의 형태로 발생한다. • 주위도 지방에서는 초기에는 베르셰론 과정에 의해 발생하며, 대부분의 강수는 낙하하면서 눈이 녹아서 된 것이다. • 소나기: 불과 몇 분 안에 대류에 의해 적운형 구름이 발달하고 강수가 발생하는 강수의 형태 -소나기가 내릴 때 초기에 큰 빗방울이 드문드문 떨어지지만 조금만 지나면 크기가 작은 빗방울들이 많이 떨어지는 이유는? 큰 빗방울이 작은 빗방울 보다 종단 속도가 더 크기 때문에 큰 빗방울이 먼저 떨어진다.

16. 빗방울 • 빗방울의 모양 빗방울들이 충돌-병합 과정을 거치면서 성장함에 따라 낙하 속도는 증가하고, 공기의 저항이 더 커지면서 아랫부분이 납작해져 빗방울이 낙하산 모양이 된다. 빗방울의 밑 부분이 납작해지면 표면적이 넓어져 공기의 저항이 더 커지고 모양이 더 납작해진다. 결국 공기의 저항은 빗방울 모양을 유지시켜 주는 포면장력 보다 크게 되어 작은 빗방울들로 분열된다. 분열된 작은 방울들은 다시 충돌-병합 과정을 거치면서 성장하게 된다. 초기에는 구형

17. 악뇌우(Thunderstorm) 와 우박 • 우박: 초기에 상승기류로 인해 작은 싸락눈 또는 물방울이 어는점 고도 위로 이동해서 우박의 핵을 이룬다. 어떤 곳에서는 싸락눈이 상승기류에서 빠져나와 하강을 할 때 수적과 충돌하여 그 표면이 물로 젖게 되고, 우박이 다시 한번 상승기류에 휩싸이면 코팅된 물은 얼게 된다. 이러한 과정이 반복될 때 큰 우박을 형성한다.

18. 얼음이 따뜻한 곳으로 떨어질 때 녹아서 빗방울을 형성. 빗방울로 떨어지다 0℃보다 낮은 온도의 공기층을 만나게 되면 다시 동결되면서 언비를 형성할 수 있다. 언비가 발달하기 위해선 역전층 밑의 한랭한 공기층이 상당히 두터워야 한다. 만약 너무 얕으면 언비의 다른 형태인 어는 비(freezing rain)가 발생한다. 강수의 형태-언비 • 언비(sleet): 빗방울이 땅으로 떨어지는 도중에 얼게 되어 형성된다. 온난전선을 따라서 가장 많이 발생한다.

19. 강수의 형태-어는 비 • 어는비(freezing rain): 과냉각 수적으로 된 약한 비나 이슬비가 0℃ 또는 이보다 약간 낮은 온도의 대기층을 통과할 때의 비이다. 빗방울이 지표에 부딪히면 잠시 동안 수막(water film)이 형성되다가 잠시 후에 얼음막을 형성한다. - 어는비가 철도 위에 내릴 때에 마찰력의 감소로 아주 위험한 상황을 만들 수 있고, 얼음의 무게가 누적되면 나무의 가는 가지와 전화선, 전선이 무게를 견딜 수 없어서 끊어지기도 한다.

20. 전세계 연간 평균 강수량

21. 강수의 측정 • 강우량은 보통 우량계(raingauge)로 측정하고 우량계의 종류로는 표준 우량계, 전도형 우량계, 저울형 우량계 등이 있다 • 기상레이더를 통해 강수를 측정하기도 하는데 레이더로부터 강수입자에 마이크로파를 방출해서 후방산란된 파의 강도를 측정하며, 일반 적으로 후방산란이 강할 수록 강수의 강도는 크다. • 강설량은 우량계의 눈을 녹여 측정. 최근에는 눈 배게(snow pillow)로 측정하고 있다.