무거운 구름이 하늘에 떠 있는 이유
파란 하늘에 솜사탕처럼 두둥실 떠 있는 하얀 구름을 보면 마음마저 가벼워지는 기분이 드는데요. 깃털처럼 가벼워 보이는 구름이지만 사실 뭉게구름 하나가 머금고 있는 물의 무게는 코끼리 100마리와 비슷한 500톤에 달한다는 사실 알고 계시나요?
이렇게 상상을 초월할 정도의 무거운 물탱크가 어떻게 땅으로 추락하지 않고 하늘에 얌전히 떠 있을 수 있는 것일까요? 중력의 법칙을 무시하고 신비로운 모습으로 있는 구름은 물방울의 크기와 상승 기류가 만들어내는 대기과학의 원리가 숨겨져 있습니다. 무거운 구름이 하늘에 떠 있는 이유를 과학적 이유로 설명해 드릴테니 하늘을 보시면 기분 전환을 해보세요.
구름에 대한 흔한 착각
구름이 하늘에 떠 있는 이유를 알아보기 전에 우리가 생각하는 오해부터 바로잡아야 하는데요. 많은 사람들이 구름을 수증기인 기체로 생각하지만 수증기는 우리 눈에 보이지 않는 투명한 상태입니다.
우리 눈에 보이는 하얀 구름의 정체는 대기 중의 수증기가 엉겨 붙어 만들어진 아주 작은 액체 상태의 물방울이거나 고체 상태의 얼음 알갱이인데요. 하늘에 떠있는 구름은 명백히 질량과 무게를 가진 액체와 고체 덩어리랍니다. 무게가 있을때는 당연히 지구의 중력으로 인해서 땅으로 떨어져야 하지만 왜 떨어지지 않을까요?
중력을 이겨내는 물방울의 초미세 크기
수백 톤의 물이 하늘에 떠 있을 수 있는 첫 번째 이유는 그 물이 하나의거대한 덩어리가 아니라 셀 수 없이 많은 초미세 물방울로 쪼개져 있기 때문입니다.
공기 저항과 종단속도
구름을 이루는 물방울 하나의 지름은 약 0.01 mm에 불과합니다. 머리카락 굵기의 10분의 1도 안 되는 엄청나게 작은 크기인데요. 물체가 작아지면 부피에 비해 겉면적이 상대적으로 넓어지게 되는데 이로 인해 물방울이 아래로 떨어질 때 공기와 부딪히며 엄청난 공기저항을 받게 됩니다.
물방울을 아래로 당기는 중력과 위로 밀어 올리는 공기 저항이 균형을 이루면 물방울은 더 이상 속도가 빨라지지 않고 일정한 속도로 떨어지는데 이를 종단속도라고 합니다. 구름 속 물방울의 종단속도는 1초에 고작 1cm 밖에 되지 않습니다.
햇살에 비친 먼지의 비유
사실 구름을 이루는 물방울들은 멈춰있는 것이 아니라 1초에 1cm씩 느리게 땅을 향해 떨어지고 있는 중인데요. 이해하기 쉽게 말하면 방 안의 먼지를 떠올려 보면 좋습니다. 창문으로 들어오는 햇살을 보면 아주 작은 먼지들이 공중에 가만히 떠있는 것처럼 보이는데요. 먼지 역시 무게가 있지만 워낙 작고 가벼워 공기 저항에 부딪혀 마치 둥둥 떠다니는 것처럼 보이는 것과똑같은 원리입니다.
구름을 떠받치는 거대한 상승 기류
물방울이 1초에 1cm 씩 떨어지더라도 시간이 지나면 결국 땅에 떨어져야 하는데요. 그런데 구름이 항상 하늘 높은 곳에 머무는 이유는 바로 지표면에서 위로 불어 올리는 상승 기류 덕분입니다.
헤어드라이어와 탁구공 실험
태양 빛이 땅을 뜨겁게 달구면 데워진 공기는 가벼워져서 하늘을 향해 위로 솟구쳐 오릅니다. 이것이 대류 현상에 의한 상승 기류입니다.
작은 물방울은 아래로 1초에 1cm의 속도로 떨어지려 하지만 밑에서 위로 밀어 올리는 상승 기류의 속도는 1초에 수 미터에 달합니다. 떨어지려는 속도보다 위로 올리는 바람의 힘이 압도적으로 강하기 때문에 물방울들이 아래로 떨어지지 못하고 하늘에 떠 있는 이유입니다.
이 원리는 헤어드라이어 바람 위에 탁구공을 올려두는 실험으로 해볼 수 있습니다. 탁구공은 중력때문에 바닥으로 내려오려고 하지만 드라이어에서 뿜어져 나오는 바람이 아래에서 계속 받쳐주기 때문에 허공에서 둥둥 떠있을 수 있는 것입니다.
그렇다면 얌전한 구름에서 비가 내리는 이유는?
구름이 하늘에 떠 있는 이유를 역으로 생각하면 비가 내리는 원리도 알 수 있습니다.
하늘에 갇힌 미세한 물방울들이 이리저리 휩쓸리다 서로 부딪히고 뭉쳐지면 점차 물방울의 크기가 1~2mm 로 커지기 시작하는데요. 크기가 커지면 무거워지면서 공기저항을 뚫고 내려오는 종단속도가 더 빨라집니다.
결국 물방울이 떨어지려는 힘이 상승 기류가 밀어 올리는 힘보다 세지는 순간 물방울들은 더 이상 공중에 버티지 못하고 땅으로 쏟아져 내리게 됩니다. 이것이 바로 구름에서 비가 내리는 이유입니다.
결코 가볍지 않은 수백 톤의 구름이 하늘에 둥둥 떠 있는 대기 과학의 신비로운 원리를 3가지로 요약해드릴게요.
- 눈에 보이는 구름은 기체가 아니라 질량과 무게를 가진 미세한 액체 물방울 또는 얼음 알갱이들의 집합체입니다.
- 물방울의 크기가 머리카락보다 작아 공기 저항을 크게 받기 때문에 아래로 떨어지는 속도가 매우 느립니다.
- 아래로 떨어지려는 물방울들을 지표면에서 위로 솟구치는 강력한 상승 기류가 밑에서 떠받쳐 주기 때문에 구름이 허공에 머물 수 있습니다.
구름은 중력을 무시하는 특별한 요술을 부리는 것이 아니라 바람이라는 자연의 힘과 힘싸움을 하는 것입니다. 맑은 날 하늘에 뜬 뭉게구름을 보신다면 이제 그 속에서 일어나는 자연현상을 생각해보세요. 한층 더 멋지게 보일 거에요.
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