대기 중 물의 상태 변화와 단열 변화

핵심 정리

대기 중 물의 상태 변화는 공기 덩어리의 온도와 수증기량에 따라 달라진다. 공기 덩어리가 상승하면 상대 습도 100%에 도달하기 전까지 단열 변화로 기온이 내려가고, 상대 습도는 높아진다. 기온과 이슬점의 차가 작을수록 상대 습도는 높다. 공기 덩어리의 이슬점은 기온과 상대 습도로 결정된다.

공기 덩어리가 상승하면 주변 기압이 낮아져 부피가 팽창하고, 열 출입 없이 온도가 내려간다. 이를 단열 팽창이라 한다. 단열 팽창하면 공기의 압력과 온도가 낮아진다. 반대로 단열 압축되면 부피가 감소하고 온도가 올라간다. 단열 상승하는 공기는 온도가 낮아지고, 단열 하강하는 공기는 온도가 높아진다.

건조 단열 감률로 상승하는 공기는 이슬점에 도달하면 응결을 시작한다. 이 높이를 상승 응결 고도라 하며, 이곳에서 공기의 상대 습도가 100%에 도달해 구름이 생성된다. 응결 고도 이전에는 기온이 이슬점보다 빠르게 낮아져 기온과 이슬점의 차가 작아진다.

응결이 시작되면 잠열이 방출되어 기온이 덜 떨어진다. 포화된 공기가 상승할 때는 습윤 단열 감률을 따르며, 이 값은 건조 단열 감률보다 작다. 구름이 생성된 뒤 상승하는 공기 덩어리의 기온 감률은 습윤 단열 감률에 가깝다. 응결이 시작되면 기온과 이슬점이 같아지고, 포화된 채 상승하는 동안 그 차이는 0으로 유지된다.

자세히

공기 덩어리의 상태 변화는 응결 고도 전후로 나누어 살펴본다. 응결 고도 이전에는 공기가 불포화 상태이므로 기온이 건조 단열 감률인 약 1°C/100 m로 내려간다. 건조 단열 과정에서 불포화 공기 덩어리의 기온 감률은 일정하다. 이슬점은 이보다 느리게, 이슬점 감률인 약 0.2°C/100 m로 내려간다. 이슬점 감률은 불포화 상태에서 단열 감률보다 작다. 따라서 상승할수록 기온과 이슬점의 차가 작아지고 상대 습도는 높아진다. 상승 응결 고도에서 기온과 이슬점이 같아지며 공기는 포화된다.

응결 고도 이상에서는 수증기가 액체로 변하면서 잠열을 방출한다. 이 열이 공기를 데우므로 기온 감률은 건조 단열 감률보다 작은 습윤 단열 감률로 바뀐다. 응결한 물이 비로 내리면 공기 속 수증기가 줄어든다. 이후 하강하는 공기의 이슬점은 응결된 수증기 양에 따라 달라진다.

다음 표는 두 단계의 특징을 비교한 것이다.