다 읽은 순간 하늘이 아름답게 보이는 구름 이야기

몸으로 느끼는 기상학

된장국에 구름이?

우리가 평소에 자주 먹는 된장국은 밥을 먹으며 구름의 원리를 체험할 수 있는 아주 멋진 교보재입니다. 그릇에 담긴 된장국에서 모락모락 피어오르는 김을 한번 볼까요? 뜨거운 국물 표면에 접한 공기 가 따뜻하게 데워지는 동안 국물 표면에서는 수증기가 계속 공급됩니다. 그리고 이렇게 된장국 표면 부근의 따뜻한 공기는 주위 공기에 비해 밀도가 작고 가벼워 위로 올라갑니다.

공기는 상승하면 온도가 낮아지는데, 차가워지면 공기가 머금을 수 있는 수증기량이 줄어들기 때문에 포화 상태가 되고 응결하여(기체 상태인 수증기가 액체 상태인 물이 됨) 물방울이 생성됩니다. 이것이

바로 김이지요. 포화란 공기가 수증기를 한계 상태까지 머금은 상태를 말합니다. 그리고 김은 점점 높이 상승하면서 주위의 건조한 공기와 뒤섞여 증발하게 됩니다.

사실은 구름에서도 똑같은 물리적 현상이 일어납니다. 구름이란 공중에 떠 있는 물과 얼음 입자가 한데 모인 집합체입니다. 뜨거운 김도 같은 성질을 가지고 있는데, 수증기가 응결되어 물방울(구름 입 자)이 되려면 핵(구름응결핵)이 될 무언가가 필요합니다.

고깃집 찌개에서 나는 김

만약 뜨거운 김이 나는 국물 위에 불을 붙인 선향을 가져다 대면 어떻게 될까요? 그러면 순간 뜨거운 김이 확 피어오를 텐데, 이것이 바로 구름핵이 형성되는 순간입니다. 상승한 수증기가 선향 연기라는 핵을 얻어 응결해 구름 입자가 되는 것이지요. 구름은 이와 같은 원리로 생성됩니다.

고깃집에서 주문한 찌개를 보면 김이 모락모락 나는데, 이것도 동일한 현상입니다. 김이 많이 나서 뜨거울 거라 생각하며 국물을 한 입 떠먹었는데 생각보다 뜨겁지 않았던 경험이 다들 한 번쯤은 있지

않나요?

여러 명의 손님이 동시에 고기를 굽는 고깃집에는 항상 연기가 자욱합니다. 즉 구름핵 역할을 할 대기 중의 미립자 에어로졸(aerosol)이 가득한 상태이지요. 그런 환경에서는 구름 입자가 다량 형성되므로 평소보다 많은 김이 발생합니다. 또 다른 예로는 뜨거운 커피가 든 컵 위에 담배 연기를 가져다 댔을 때 김이 대량 발생하는 것을 들 수 있습니다.

된장국의 열대류

된장국에서는 구름의 원리와 관계가 있는 또 하나의 현상을 발견할 수 있습니다. 뜨거운 된장국을 그릇에 부으면서 가만히 관찰해보세요. 액체의 흐름이 아래에서 위로, 위에서 아래로 이동하는 모습이 보일 것입니다. 이는 된장국 안에서 상승류와 하강류가 발생해 열이 순환하는 열대류가 일어나고 있는 상태입니다. 위아래의 온도 차가 일정 수준을 넘으면 열대류가 발생하지요.

여름에 흔히 볼 수 있는 적운인 뭉게구름도 똑같은 원리로 만들어집니다. 적운은 햇빛을 받아 지표면이 뜨거워지면서 데워진 지표 부근의 공기가 상승하여 형성되는 구름입니다. 그래서 비슷한 장소에서 생성과 소멸을 반복합니다. 된장국이 담긴 그릇 안도 마찬가지이지요.

된장국이 식으면 위아래의 온도 차가 줄어들어 열대류도 점차 약해지는데, 대기 중의 열대류 현상도 똑같습니다. 적운이 생성과 소멸을 반복하는 상황에서 그보다 더 높은 하늘에 두꺼운 구름이 드리워 햇빛을 가려버리면 지표면 온도가 떨어집니다. 그러면 열대류가 갑자기 약해져 적운이 만들어지지 못하지요. 식어버린 된장국 상태가 되는 것입니다.

이렇듯 맑은 하늘에 생긴 적운은 열대류가 일어나고 있다는 증거입니다. 된장국은 하늘의 모형이라고도 말할 수 있을 정도로 기상과 관련된 물리적 현상이 가득하지요. 그릇에 담은 직후 뜨거운 김이 모락모락 나는 것을 보며 구름핵이 형성되는 과정을 이해할 수 있고, 그릇 안에서는 열대류를 관찰할 수 있거든요.

그런데 여기서 잊지 말아야 할 것 하나! 된장국이 식기 시작하면서 대류가 약해지는 모습을 확인하는 것도 좋지만, 국이 완전히 다 식어버리기 전에 얼른 먹어야겠지요?

욕실과 기상학

매일매일 구름 생각뿐인 구름 연구자는 욕조에 몸을 담근 채 하루를 마무리하는 순간에도 무의식적으로 구름의 물리현상을 떠올립니다.

제일 먼저 욕실 거울과 유리창에 생기는 결로가 눈에 들어오지요. 뜨거운 물을 받아놓은 욕조에 몸을 담그고 있다 보면 거울과 창문에 서리가 낍니다. 이는 욕조의 뜨거운 물 때문에 욕실 안의 공기가 따뜻해지면서 수증기를 공급받아 포화에 가까운 상태가 되었는데, 상대적으로 온도가 낮은 거울과 유리창 부근에서 공기가 차갑게 식으며 거울과 창문 표면에 응결된 수증기가 물방울이 되어 맺히기 때문입니다. 추운 날 실내 온도를 높였을 때 유리창에 결로가 생기는 것과 똑같지요. 결로는 구름 입자가 생성되는 것과 비슷한 현상입니다.

또 욕조에서 보면 천장과 창문에 맺힌 물방울의 크기가 점점 커집니다. 처음에는 물방울 하나하나의 크기가 작지만 시간이 갈수록 점점 커지는 것이지요. 이는 물방울이 욕조에서 계속 공급되는 수증기를 흡수하여 커지는 응결성장이 일어나기 때문입니다.

하지만 크기가 커질수록 성장 속도는 느려지고, 창문의 물방울은 어느 정도의 크기까지밖에 성장하지 못하므로 한동안은 떨어질듯 말 듯 아슬아슬하게 붙어 있습니다. 이때 물방울을 떨어뜨리려면 후 하고 입김을 불어넣으면 됩니다. 그러면 물방울끼리 달라붙어 한 덩어리로 뭉쳐지며 성장 속도에 가속도가 붙는 충돌·병합 성장이 일어나 단번에 또르르 떨어질 것입니다.

사실 이것은 구름 안에서 비가 성장하는 과정과 완전히 동일합니다. 욕실 천장과 창문에서 떨어지는 물방울은 구름에서 내리는 비와 같은 성장 과정을 거칩니다. 목욕을 끝낸 후 찬물을 마실 때 유리잔을 한번 찬찬히 살펴보세요. 결로가 생기고 물방울끼리 합쳐지면서 흘러내리는 현상이 얼음물을 넣은 유리잔 표면에서도 관찰될 것입니다. 이렇듯 우리는 일상생활 속 다양한 장면에서 구름과 비를 느낄 수 있습니다.

구름으로 하늘 100퍼센트 즐기기

구름의 마음을 읽다

구름이 전하는 하늘 상태

구름은 상공의 대기 상태를 가시화해 보여줍니다. 일단 공기가 포화상태에 이르면 구름이 생성되므로 구름이 낀 하늘은 습도가 100퍼센트라고 생각하면 됩니다.

비행기 뒤로 길게 뻗은 비행운도 하늘이 얼마나 습한지 알 수 있는 척도가 됩니다. 비행운은 공기가 건조할 때는 생기지 않고, 생긴다해도 금세 사라지고 말거든요. 비행운이 길게 남아 있는 것은 상공이 습할 때며, 10분 이상 하늘에 남아 있으면 권운으로 분류합니다.

꼬리가 긴 비행운은 하늘이 매우 습하다는 것, 즉 날씨가 흐려질 가능성이 있다는 것을 알려줍니다. 전선과 저기압이 일본 상공을 지나는 편서풍을 타고 서쪽에서 다가오면 제일 먼저 상공의 습도가 올 라가고, 이후 점점 구름이 두꺼워지면서 비가 내립니다. 이럴 때 일기예보에서는 보통 서쪽부터 흐려진다고 말합니다.

그밖에 적운이 뭉게뭉게 피어오르는 정도로도 하늘의 상태를 가늠할 수 있습니다. 어느 정도 이상 성장하지 않고 그 아래로 뭉게뭉게 피어오른 편평적운이 보인다면 대기가 안정된 상태이므로 날씨가 나빠질 일은 없습니다.

된장국의 열대류 파트에서 본 것처럼 아래쪽은 뜨겁고 위쪽은 차가운 온도 차가 발생하면 열대류가 일어나는데, 편평적운은 열대류의 상승기류로 만들어집니다. 편평하다는 것은 구름 윗부분의 따뜻한 공기층(안정층)이 성장을 억제하는 뚜껑 역할을 하고 있음을 의미합니다. 10분 정도 주기로 생성과 소멸을 반복하며 맑은 날씨가 계속되기 때문에 갠날적운, 호천적운이라고도 하지요.

대기 상태가 불안정해지면서 구름이 발달하면 위쪽으로 뭉게뭉게 피어오른 형태의 중간적운이 만들어지고, 더 나아가면 웅대적운으로 변합니다. 윗부분이 평평한 모루구름을 동반하는 적란운으로까지 발달하면 하늘이 급변할 가능성도 있습니다.

물구름과 얼음구름 구분법

구름의 형태를 결정짓는 입자가 물방울일 때는 구름이 뭉게뭉게 피어오르고, 얼음 결정일 경우에는 대개 매끈한 형태를 보입니다. 하지만 둘 중 어떤 구름인지 헷갈리는 애매한 형태의 구름도 있습니다.

구름이 물과 얼음 중 어떤 것으로 이루어져 있는지 구분하는 방법에는 몇 가지가 있습니다. 우선 무지개구름인 채운을 볼까요? 태양과 아주 가까운 곳에 걸려 있는 구름이 무지개 색으로 빛난다면 그 구름은 물로 이루어져 있는 것입니다. 채운은 태양광이 물 입자에 반사되고 굴절되면서 만들어지기 때문이지요.

반면에 무리나 호 등이 무지개 색으로 빛난다면 거기에 얼음으로 이루어진 구름이 있는 것이라 볼 수 있습니다. 얼음 결정 때문에 생기는 빛의 현상은 아주 많은데, 그중에는 해기둥도 있습니다. 해기둥은 상공에 얼음구름이 있을 때 태양 위아래로 빛의 기둥이 생기는 것을 말합니다. 겨울에만 볼 수 있다는 말이 있는데, 실제로는 여름에도 기온이 낮은 상공에 얼음구름이 떠 있으면 해기둥이 생깁니다.

특히 태양의 고도가 낮은 아침이나 저녁 시간대에 쉽게 볼 수 있지요. 또 밤하늘에 여러 개의 빛기둥이 나타나 종종 화제가 될 때가 있습니다. 이는 어화광주라 불리는 현상으로, 야간에 어선이 물고기를 유인하기 위해 밝힌 불이 얼음구름에 반사되면서 기둥처럼 빛나는 것입니다. 이처럼 구름이 빛을 어떻게 연출하느냐에 따라서도 그 구름이 어떤 상태인지 알 수 있습니다. 구름은 다양한 방법으로 자신의 상태를 우리에게 알려주지요.

설령 날씨가 나쁘더라도

흐린 하늘만의 멋, 비 오는 날의 기상학자

흐린 하늘도 나름의 개성이 있다

하늘이 흐리면 왠지 모르게 기분이 꿀꿀해질 때가 있지요. 눈이 오거나 날씨가 우중충한 날이 이어져 일조량이 극단적으로 감소하는 겨울철, 일본 서해 인근 지역에서는 정신을 안정시키는 세로토닌이라 는 신경전달물질이 잘 분비되지 않아 우울감을 호소하는 사람이 증가하는 추세라 합니다.

물론 날씨가 흐린 날에도 비행기를 타고 하늘 위로 올라가면 바다처럼 넘실대는 구름 위로 펼쳐진 푸른 하늘을 만날 수 있습니다.

하지만 비행기는 버스나 전철처럼 평소에 자주 탈 수 있는 것이 아니지요. 흐린 날에는 하늘을 올려다보아도 볼 게 없다고 생각할 수 있지만, 그런 날에도 구름의 움직임과 모양을 유심히 보면 평소에 볼 수 없는 대기의 흐름을 발견할 수 있습니다.

하늘 전체에 쫙 깔려 정지해 있는 듯 보이는 구름도 사실 역동적으로 움직이고 있거든요. 구름은 상공에 부는 바람을 타고 계속 이동하는데, 저기압이나 전선을 통과하면서 바람의 방향이 바뀌면 구름 의 흐름도 바뀝니다. 가까운 하늘에서 비가 내리면 빗방울에 의해 진동한 공기가 대기중력파를 만들어내고, 그것이 구름 밑면에 전달되면 파도가 치는 듯한 모양의 구름인 아스페리타스(거친물결구름)가 형성되기도 하지요.

대기는 쉬지 않고 움직입니다. 우리 눈에는 보이지 않지만 그것을 가시화해주는 것이 바로 구름이고요. 하늘에서 무슨 일이 일어나는지 구름이 몸소 알려주고 있는 겁니다. 흐린 하늘만의 개성을 발견 할 수 있게 된다면 하늘에서 펼쳐지는 현상들이 좀 더 친근하게 느껴지고, 날씨가 흐리거나 비가 내려도 꽤 즐거울 것입니다.

비 오는 날 기상학자가 노는 법 슬로모션

비가 오는 날도 참 재밌습니다. 저는 비가 오면 스마트폰 기능으로 물웅덩이를 찍어보라고 말합니다. 위에서 빗방울이 떨어져 물웅덩이 수면에 닿아 튀었다가 떨어지고 다시 또 튀는 그 일련의 과정이 몇 초간의 촬영만으로 한눈에 보이기 때문입니다. 작은 물방울들이 한 번 튀어 올랐다가 표면장력의 영향으로 마치 공처럼 수면 위를 데굴데굴 굴러가면서 흩어지는 경우도 있습니다.

빗방울이 튀어 오르는 모양이나 파문이 퍼져나가는 형태는 비의 세기에 따라 달라집니다. 빗줄기가 약할 때는 빗방울 하나하나가 투둑투둑 춤을 추듯 튀어 오르는데, 빗줄기가 거세지면 빗방울이 떨어진 위치의 수면이 푹 파이고 빗방울은 완전히 튀어 오르지 못한 채 수면 위로 얼굴만 빼꼼 내미는 듯한 형태가 되지요. 맨눈으로 볼 때는 보이지 않던 빗방울의 움직임도 3~4초간 슬로 촬영을 하면 확인이 가능합니다.

빗줄기가 약할 때를 기다렸다가 슬로모션 기능으로 물웅덩이를 촬영해보세요. 스마트폰을 수면 위 10센티미터 정도까지 가까이 가져다 대고 찍는 것이 비결입니다. 어쩌면 신카이 마코토 감독의 작품처럼 아름다운 장면을 찍을 수 있을지도 모릅니다!

투명 비닐우산을 쓸 때, 버스나 전철을 탈 때도 빗방울의 움직임을 유심히 살펴보세요. 비 입자는 우산에 떨어지는 순간, 튀면서 근처에 있는 물방울에 달라붙습니다. 거기에 다음 비 입자가 달라붙으며 물방울의 크기는 점점 커지고, 결국 중력에 의해 아래로 떨어지게 되지요.

구름 속에서 비가 성장하는 과정도 이와 매우 비슷합니다. 구름 입자가 주위의 수증기를 빨아들여 서서히 몸집을 불리고, 늘어난 무게 때문에 낙하하면 비가 되는 것이지요. 낙하 속도는 구름 입자 크기에 따라 다르므로 비 입자끼리 중간에 부딪히기도 합니다. 그렇게 충돌이 일어나면 비 입자들은 서로 결합해 크기가 커지고, 결국 아래로 떨어지는 속도는 점점 더 빨라지게 됩니다.

비가 오는 날 우산 위에서는 물방울이 떨어지고 달라붙어 크기가 커지다 더 이상 견디지 못하고 낙하하는 일련의 과정이 연이어 일어납니다. 주변에 빗물을 튀기거나 부딪히지 않도록 조심하면서 우산 위나 유리창의 물방울을 관찰해보세요. 그러다 보면 어느 순간 자기도 모르게 비 오는 날을 기다리게 될지도 모릅니다.

감동을 주는 기상학

기상학이 규명해내는 것

인간과 기상학

하늘은 왜 파랗고, 비는 왜 내릴까? 저 구름 모양은 무엇을 의미하는 걸까? 하늘에 걸린 아름다운 무지개의 정체는 무엇일까? 우리 인류는 아득히 높은 하늘을 바라보며 이런저런 상상을 하며 살아왔습니다. 하지만 항상 낭만적이지만은 않았지요. 기상은 인류의 생존을 크게 좌우하거든요. 호우, 대설, 가뭄, 용오름, 태풍 같은 기상재해와 기상이변은 생존을 위협하니까요.

특히 농경 생활을 시작하고부터 날씨, 즉 기상에 잘 적응하며 사는 것은 인류에게 매우 중요한 과제가 되었습니다. 인류는 식량을 생산할 때 날씨나 기후 변동의 영향을 매우 크게 받습니다. 기우제라는 의식이 세계 각지에 존재한다는 것만 보아도 알 수 있듯이 과거에는 기상이 신의 영역에 속해 있었지요. 그러나 인류가 진보하고 문명이 발달함에 따라 기상은 점점 과학의 영역으로 들어오게 되었습니다.

그렇다면 기상학이란 무엇일까요? 현대적 정의에 따르면 기상학은 대기를 비롯한 기상 현상을 주로 물리학으로 규명하는 학문입니다. 대기의 운동부터 구름을 비롯한 기상 전반을 다루는데, 계절이나 한 해에 걸쳐 일어나는 장기적 현상을 다루는 것은 기후학이라 부릅니다. 기상학과 기후학을 합쳐 대기과학이라 하지요.

기상학과 연결된 학문들

기상학에서 다루는 현상은 규모에 따라 몇 가지로 나눌 수 있습니다. 지구 규모의 현상을 다루는 것은 행성기상학, 저기압이나 고기압 같은 1000킬로미터 규모를 다루는 것은 종관기상학, 적당히 큰 크기의 구름이나 소규모 저기압 등을 다루는 것은 중기상학, 용오름을 비롯해 단시간에 국지적으로 나타나는 현상과 도시에서 부는 빌딩풍 같은 현상을 다루는 것은 국지기상학(미기상학)입니다.

대기의 물리 과정을 이해하는 접근법은 유체역학, 대기열역학, 그리고 대기의 흐름과 열에 영향을 미치는 구름, 난류, 복사 물리가 중심이 됩니다. 또 대기 중에서 일어나는 현상에는 다양한 물리 과정 이 복잡하게 얽혀 있기 때문에 여러 분야의 학문을 알 필요가 있습니다. 통계학을 예로 들어볼까요? 지금 하늘에서 벌어지고 있는 현상이 앞으로 어떻게 변화할지를 논의하려면 과거의 누적 관측 데이터가 필요합니다. 수많은 데이터를 다루므로 기상학에는 통계학적인 측면도 있지요. 그리고 이런 데이터를 기반으로 미래에 대한 예측을 시뮬레이션하기 위해서는 슈퍼컴퓨터를 이용할 수밖에 없습니다. 그러니 수학뿐만 아니라 계산 과학, 고성능 컴퓨팅 기술도 필요합니다. 또 지리적 요인 때문에 생겨나는 기상 현상도 많기 때문에 지리학도 필요할 테고, 기상재해를 방지한다는 의미에서는 재해정보학도 밀접한 관련이 있습니다. 대기 환경의 영향을 고려한다면 환경학도 알아야겠지요.

대기과학은 넓은 의미에서 해양, 지진, 화산, 지질을 포함한 지구과학으로 분류됩니다. 기상학은 이 지구과학이라는 큰 틀 안에 들어가므로 필연적으로 다양한 분야와 관련이 있을 수밖에 없습니다. 대기 중에 떠다니는 미립자는 화학반응을 일으키므로 화학적 시각도 중요하고요. 또 날씨 변화는 인체와 동식물 활동에 영향을 주기 때문에 생물학과도 관련이 있으며 대기, 구름, 비를 관측하려면 계측기가 필요하므로 공학적인 측면도 있다고 할 수 있지요.

기상학은 융합 지식이다

기상위성을 사용해 관측하는 지금은 방대한 양의 데이터를 송수신해야 하므로 통신 기술도 중요합니다. 눈이 내리는 지역에서는 강설량에 대비해 가옥의 하중 설계가 이루어져야 하므로 기상은 건축 분야에서도 반드시 고려해야 할 요소이고, 댐 이수(利水)나 홍수를 예방하는 치수(治水) 등 토목 분야와도 관련이 있습니다. 방재 정책이나 교육 측면에서는 인문, 사회학과도 관련이 있으며 보험, 경제활동, 도로 교통 같은 경제학과 상업학과도 관련이 있습니다.

농업은 기상의 영향을 많이 받는 분야라 작물 관리나 삼림 자원 관리, 지구온난화의 영향을 농업학에 적용하면 미래를 예측할 수 있습니다. 대기오염 물질 확산이나 기온 변화에 따른 건강 피해가 생길 수 있다는 점에서는 의학과도 관련이 있지요. 이처럼 수많은 학문과 관련 있는 것이 바로 기상학입니다.

다른 분야와 손을 잡다

저는 현재 지상 마이크로파 복사계라는 관측 기기를 사용해 구름의 원리를 연구하고 있는데, 관측의 정확도를 높이기 위해 천문 분야 연구자인 공학 전문가와 함께 계측기를 개발한 적이 있습니다. 천문 관측을 전문으로 하는 사람들에게 대기 중의 수증기는 일종의 노이즈입니다. 대기 중에 수증기가 있으면 우주에서 방출되는 복사에너지를 관측할 때 오차가 커지기 때문에 가능한 한 높은 산에 올라가 아주 세밀하게 관측하지요. 이 기술을 기상관측에 응용하니 기존보다 빠른 속도의 수증기 관측이 가능해졌습니다. 하나의 기초 기술은 다양한 분야에서 응용되므로 의외의 분야와도 연이 닿아 함께 연구를 진행하기도 합니다.

일기예보는 우리 생활과 밀접한 기상학이자 사회경제 활동에 도움을 주며, 방재나 지구환경 관련 정책 입안 및 시행의 기반이 되는 지식을 제공한다는 사회적 의의가 있습니다. 지구온난화 같은 장기적인 환경 문제를 해결하기 위해서는 전 지구적 노력이 필요합니다. 기상학과 기후학에서 얻은 지식을 사회에 환원하고 적용하는 것에는 지구의 미래를 위한 정책 결정을 내리는 데 필요한 지식을 제공한다는 의미도 있겠지요.

미래를 예측하는 기상학

연구를 하다 보면 기상학에는 아주 잘 만들어진 사이클이 존재한다는 생각이 들 때가 있습니다. 기상학의 기본은 관측입니다. 하늘을 관측하여 실제로 무슨 현상이 일어나는지를 일단 알아야겠지요. 그 리고 현상 하나하나의 프로세스를 알아내기 위해 실내 실험을 진행합니다. 그 후 이 두 가지 과정을 거쳐 확인한 물리법칙을 정식화하여 시뮬레이션이 가능한 형태로 만듭니다.

그렇게 얻어낸 시뮬레이션 결과를 검증하고 수정하려면 또다시 관측 데이터를 수집하고 프로세스를 연구해야 합니다. 관측-프로세스 연구-시뮬레이션, 이 세 가지를 계속 순차적으로 반복하면서 현상을 보다 깊이 이해하고 예측 기법의 정확도를 높이는 것이지요.

하지만 기상학의 관측 기술 자체는 아직 완전하지 못합니다. 자연현상은 다양한 물리법칙을 내포하고 있기 때문에 모든 것을 완벽하게 규명해내려면 아직 갈 길이 멉니다. 공학적 측면에서도 관측 기술을 향상시키고 개별 현상의 본질을 물리적으로 찾아내 시뮬레이션할 수 있는 시스템을 만들고자 노력 중입니다.

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본 정보는 도서의 일부 내용으로만 구성되어 있으며, 보다 많은 정보와 지식은 반드시 책을 참조하셔야 합니다.