대기의 안정도와 구름 생성

핵심 정리

공기 덩어리가 상승하면 주변 기압이 낮아져 단열 팽창하고, 그 결과 온도가 떨어진다. 불포화 공기는 건조 단열 감률 약 10 ℃/km로 냉각되며, 이 과정에서 상대 습도가 높아져 이슬점에 가까워진다. 기온과 이슬점이 같아지는 높이가 응결 고도이며, 구름은 이 높이에서 생성되기 시작한다.

건조 단열 감률은 약 10 ℃/km로 습윤 단열 감률보다 크다. 응결 후에는 응결열이 방출되어 냉각 속도가 느려지고, 포화된 공기는 습윤 단열 감률로 냉각된다. 상승한 공기 덩어리가 하강할 때는 건조 단열 감률로 따뜻해진다.

대기의 안정도는 주변 공기의 실제 기온 감률인 환경 기온 감률을 단열 감률과 비교하여 정한다. 기온 감률이 습윤 단열 감률보다 작은 기층은 안정하고, 건조 단열 감률보다 큰 기층은 불안정하다. 기온 감률이 두 감률 사이에 있으면 조건부 불안정이다. 지표 부근에서 기온이 높이에 따라 높아지는 층은 역전층이며, 이때 대기는 매우 안정하다.

안정한 대기에서는 상승한 공기 덩어리가 주변보다 차가워져 원래 위치로 되돌아온다. 불안정한 대기에서는 상승한 공기가 주변보다 따뜻해져 계속 상승하고 연직 운동이 활발해진다. 안정한 대기에서는 층운형 구름이, 불안정한 대기에서는 적운형 구름이 주로 생긴다.

자세히

구름이 생성되는 과정은 두 단계로 나누어 살펴본다. 첫째, 공기 덩어리가 상승하여 단열 냉각된다. 공기 덩어리가 상승하면 주변 기압이 낮아져 부피가 늘어나고, 팽창에 필요한 에너지가 공기 덩어리의 내부 에너지에서 나오므로 온도가 떨어진다. 이것이 단열 냉각이다.

둘째, 냉각된 공기가 포화에 이른다. 불포화 공기는 건조 단열 감률로 냉각되고, 이슬점은 같은 높이 차에서 이슬점 감률만큼 낮아진다. 따라서 상승할수록 기온과 이슬점의 차이는 건조 단열 감률과 이슬점 감률의 차만큼 줄어든다. 두 값이 같아지는 높이가 응결 고도이며, 이 높이부터 수증기가 응결하여 구름이 생긴다. 처음 기온과 이슬점의 차이가 클수록 응결 고도는 높다.

응결이 일어나면 응결열이 방출되어 공기 덩어리가 건조 단열 감률보다 느리게 냉각된다. 이때의 감률을 습윤 단열 감률이라고 하며, 약 5 ℃/km로 건조 단열 감률보다 작다. 구름 속 공기는 습윤 단열 감률로 냉각되고, 응결 고도에서 상승한 공기 덩어리의 기온과 이슬점은 같아진다. 응결 고도 이상에서 공기 덩어리가 계속 상승할지는 주변 기온 감률에 달려 있다.

공기 덩어리가 자발적으로 상승하려면 주변 기온 감률이 건조 단열 감률보다 커야 한다. 그래야 공기 덩어리가 주변보다 따뜻해져 계속 떠오를 수 있다. 상승하는 공기 덩어리 주변의 공기는 환경 기온 감률을 따른다. 공기 덩어리는 주변 공기와 기온이 같아지는 높이에서 상승을 멈춘다.

이를 정리하면 다음과 같다.