수증기압

교과 지도 자료  2. 구름과 바람

Ⅲ. 기권과 우리 생활

수증기는 중학교에서는 수증기량으로 표현하지만 고등학교 이후부터는 수증기압의 개념을 사용한다. 공기 덩어리가 해수면 부근에 있고, 그 내부의 기압이 1,000 hPa이라면 공기 덩어리 내의 총 기압은 모든 분자들의 충돌하는 힘으로 결정된다. 공기 덩어리의 압력이 1,000 hPa이고, 기체 중에 질소가 78 %, 산소 21 %, 수증기가 1 % 있다고 하면, 질소의 분압은 780 hPa, 산소는 210 hPa, 수증기는 10 hPa에 해당한다. 실제 수증기압은 공기 중 총 수증기량을 말하고, 포화 수증기압은 주어진 온도에서 대기의 포화를 이루는 데 필요한 수증기의 양을 말한다.

단열 변화

⑴ 공기 덩어리가 상승하는 경우(단열 팽창)：공기 덩어리가 상승하면 주위의 기압이 낮아지므로, 공기 덩어리는 팽창하여 부피가 증가한다. 이때 팽창한 부피만큼 일을 하는 것이며, 외부와 열교환은 일어나지 않으므로 내부 에너지를 이용하게 된다. 따라서 내부 에너지가 감소하여 공기 덩어리의 온도가 내려간다. ➞ 단열 냉각

⑵ 공기 덩어리가 하강하는 경우(단열 압축)：공기 덩어리가 하강하면 주위의 기압이 높아지므로, 공기 덩어리는 압축되어 부피가 감소한다. 이때 압축된 부피만큼 일을 하는 것이며, 외부와 열교환은 일어나지 않으므로 내부 에너지가 증가하여 공기 덩어리의 온도가 올라간다.
➞ 단열 가열

빙정설

중위도나 고위도 지역의 중층운이나 적란운의 중층부에서 눈이 생성되는 원리를 설명하는 이론이다. 이러한 구름 속의 온도는 －40 ℃～0 ℃ 사이인데, 이러한 구간에서는 얼음알갱이(빙정)뿐만 아니라 과냉각된 작은 물방울(수적)이 같이 있게 된다. 과냉각 수적은 0 ℃ 이하의 온도에서 얼지 않고 존재하는 물방울이다. 이 구간에서는 포화 수증기량 곡선이 둘로 갈라지게 되어 과냉각 수적의 포화 수증기량이 빙정의 포화 수증기량보다 더 크다. 따라서 이 구간에서 물은 계속 증발하여 수증기가 되고, 수증기는 빙정의 표면에서 승화하여 눈이 된다. 그 결과 과냉각 수적은 점점 작아지고 빙정은 점점 성장하게 된다. 눈이 점점 커져서 무거워지게 되면 지표면으로 떨어지게 되는데, 떨어지다가 녹으면 비가 된다. 이러한 원리로 생성되는 비를 찬비라고 한다.

병합설

열대 지방이나 여름철 중위도 지방의 하층운이나 적란운의 하층부에서 비가 생성되는 원리를 설명하는 이론이다. 이러한 구름 속의 온도는 0℃ 이상으로 얼음 알갱이(빙정)는 없다. 구름 속에는 다양한 크기의 구름 방울(보통 1 [eqn: mu]m～10 [eqn: mu]m의 크기)이 있다. 하지만 이러한 구름 방울들의 생성에는 이들의 생성을 도와주는 응결핵이 필요하다. 구름이 생성될 수 있는 고도 부근에 존재하는 많은 양의 수증기가 물방울로 응결되기 위해서는 공기 중에 떠다니는 소금 입자, 먼지, 꽃가루 등과 같은 크기가 작은 응결핵들이 있어야 한다. 응결핵이 없이 수증기의 포화만으로 응결이 일어나기 위해서는 상대 습도가 400 % 이상이 되어야 한다.

짙은 구름 속에서 다양한 크기의 구름 방울들이 서로 충돌하여 그 크기가 점점 커지게 되면 지표면으로 떨어지게 되는데, 물방울이 아래로 떨어지다가 공기의 저항력에 의해 작은 물방울로 깨지게 되고 깨진 작은 물방울이 다시 상승 기류에 의해 상승하면서 주변의 수증기를 병합시켜서 커지게 되면 다시 떨어지게 된다. 이와 같은 과정을 반복하면서 물방울은 비교적 크기가 큰 빗방울로 성장하여 지표면에 도달하게 된다. 이러한 원리로 생성되는 비를 따뜻한 비라고 한다.

기압계

⑴ 아네로이드 기압계：얇은 금속으로 만든 통의 공기를 빼내어 진공 상태로 만들면, 통의 내부가 찌그러지는 것과 같이 변형되어 금속의 탄성과 기압이 평형을 이루게 된다. 이 금속 통은 기압의 변화에 따라 수축과 팽창을 한다. 이 원리를 이용하여 금속 통의 움직임을 지렛대로 확대시키고, 지침을 움직이게 하여 기압 눈금이 표시된 눈금판으로부터 기압을 읽을 수 있도록 한 것이 아네로이드 기압계이다.

⑵ 수은 기압계：토리첼리는 한쪽 끝이 막힌 길이 1 m의 유리관에 수은을 가득 채우고 반대쪽의 열린 끝을 수은이 담긴 그릇에 넣어 유리관을 세웠을 때, 유리관 속의 수은이 그릇의 수은면으로부터 약 760 mm 높이까지 하강하여 정지한다는 것을 발견하였다. 이는 유리관 속의 수은의 무게와 그릇의 수은면에 작용하는 기압이 균형을 이루고 있기 때문이다. 수은 기압계는 이 원리를 응용한 것이다.