중2 과학/응결/포화수증기량/구름의 생성 과정/층운형 구름/적운형 구름

지구를 둘러싸고 있는 기권에는 수증기가 포함된다. 빨래가 마르는 것처럼 물의 표면에서 물이 수증기로 변하는 현상을 증발이라 하고, 이슬이 맺히는 것처럼 공기 중의 수증기가 물로 변하는 현상을 응결이라고 한다. 그러면 공기가 포함할 수 있는 수증기의 양은 어느 정도일까? 똑같은 유리컵 두 개에 같은 양의 물을 넣고 한 컵만 비닐로 막은 다음, 햇빛이 잘 드는 창가에 놓아두고 3~4일 동안 관찰하면 다음과 같은 변화를 확인할 수 있다. 비닐로 막지 않은 컵에서는 물이 계속 줄어들지만 비닐로 막은 컵에서는 물이 조금 줄어들다가 더 이상 변하지 않는다. 이는 비닐로 막은 컵 속의 공기와 같이 일정한 양의 공기가 포함할 수 있는 수증기의 양에 한계가 있기 때문이다. 이처럼 일정한 양의 공기가 수증기를 최대한 포함하고 있는 상태를 포화 상태라고 한다. 포화 상태의 공기 1 kg에 들어 있는 수증기량을 g으로 나타낸 것을 포화 수증기량이라고 한다. 포화 수증기량은 기온이 높을수록 많아진다. 따뜻한 물을 담아 흐려진 플라스크를 헤어드라이어로 가열하면 내부가 맑아진다. 이는 기온이 높아짐에 따라 포화 수증기량이 많아져 플라스크 내부에서 증발이 일어났기 때문이다. 이후 이 플라스크를 찬물에 담그면 내부가 다시 흐려진다. 이는 기온이 낮아짐에 따라 포화 수증기량이 적어져 플라스크 내부에서 응결이 일어났기 때문이다. 이처럼 기온에 따라 포화 수증기량이 달라지면서 증발이나 응결이 일어난다. 한편, 포화되지 않은 공기는 기온이 계속 낮아지면 포화 상태에 도달하여 응결이 일어나는데, 응결이 시작되는 온도를 이슬점이라고 한다. 이슬점은 공기 중의 수증기량이 많을수록 높고, 수증기량이 적을수록 낮다. 이른 아침에 안개가 생기거나 이슬이 맺히는 현상, 더운 날 냉장고에서 꺼낸 음료수병에 물방울이 맺히는 현상은 기온이 이슬점보다 낮아져 응결이 일어났기 때문에 나타난다. 우리는 공기가 건조하다거나 습하다는 말을 자주 사용한다. 이러한 공기 중의 수증기량에 따른 건조하고 습한 정도를 습도라고 한다. 생활에서 주로 사용하는 습도는 상대 습도이고, 현재 기온의 포화 수증기량에 대한 실제 수증기량의 비율로 나타낸다. 비 오는 날은 맑은 날보다 공기 중의 수증기량이 많으므로 이슬점이 높다. 하지만 맑은 날 하루 동안이나 비 오는 날 하루 동안에는 공기 중의 수증기량이 거의 변하지 않으므로 이슬점은 거의 일정하다. 이때 상대 습도는 기온과 반대로 나타난다. 즉, 이슬점이 일정할 때 기온이 높으면 포화 수증기량이 증가하여 상대 습도가 낮고, 기온이 낮으면 포화 수증기 량이 감소하여 상대 습도가 높다. 생활에서 습도는 건습구 습도계나 모발 습도계를 사용하여 측정한다. 간이 가압 장치로 페트병에 공기를 더 채웠다가 뚜껑을 열면 공기의 부피가 변하면서 페트병 내부의 온도가 달라진다. 이처럼 물체가 외부와 열을 주고받지 않고 부피가 변하는 것을 단열 변화라 하고, 이때 물체의 온도가 변한다. 특히, 물체의 부피가 늘어날 때를 단열 팽창이라고 하며, 이때 물체의 온도는 낮아진다. 탐구에서 뚜껑을 열었을 때 뿌옇게 흐려진 것은 단열 팽창으로 기온이 낮아져 응결이 일어났기 때문이다. 또, 연기를 넣었을 때 잘 흐려지는 것은 연기가 응결을 도와주었기 때문이다. 이처럼 응결이 잘 일어나게 돕는 물질을 응결핵이라고 한다. 구름은 단열 팽창으로 수증기가 응결하여 만들어지고, 이때 먼지나 해염 입자 등이 응결핵 역할을 한다. 그러면 하늘 높은 곳에 떠 있는 구름은 어떤 과정으로 만들어지는 것일까? 지표면에서 공기 덩어리가 상승하면서 단열 팽창이 일어난다. 이때 공기 덩어리의 기온이 낮아지다가 이슬점에 도달하면 응결이 시작된다. 이러한 과정으로 높은 곳에서 물방울이 생겨 구름이 된다. 구름이 만들어지기 위해서는 공기의 상승이 일어나야 한다. 공기의 상승이 강하게 일어날 때는 위로 솟는 모양의 적운형 구름이 만들어지고, 공기의 상승이 약하게 일어날 때는 옆으로 퍼지는 모양의 층운형 구름이 만들어진다.