아들녀석에게 태풍에 대한 설명을 하다가 또 질문을 받았습니다.
2022.09.02 - [세상만사/과학으로 아들녀석에 아는척 하기] - 태풍의 경로와 회전 방향에 관하여
태풍의 경로와 회전 방향에 관하여
아들과 지금 올라오는 태풍(힌남노)의 크기, 방향과 경로에 대한 이야기가 나왔습니다. 그냥 제가 아는 범위에서 코리올리 힘으로 대충 무마했습니다. 그런데, 잠잘때 생각해보니 궁금한 점이
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아들 : 그럼. 왜 구름은 하늘에서 안떨어지고 그대로 있어? 수증기는 모두 공기 중으로 없어지잖아.
나 : ??? ⚆_⚆;
섣불리 대답을 했다가는 또 질문을 받을 수 있기 때문에, 쉽고 완벽한 설명을 위해 또 공부를 해야만 합니다. 절대 물러설 수 없다. 왠지 이걸 설명해주면 "비"에 대한 질문이 할 것만 같습니다.
제가 나름 공부한 내용을 아래와 같이 정리하였습니다.
아래사이트를 참고하였습니다.
https://www.scientificamerican.com/article/why-do-clouds-float-when/
https://theconversation.com/curious-kids-how-do-the-clouds-stay-up-in-the-sky-99964
1. 구름의 무게
저는 이것이 가장 궁금했습니다. 도대체 구름의 무게는 얼마나 될까?
자료를 찾아보니 많은 사람들이 무게를 측정을 했습니다.
제가 참고한 자료는 아래 사이트에서 참고 하였습다.
https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/how-much-does-cloud-weigh
How Much Does a Cloud Weigh? | U.S. Geological Survey
The air is full of water, as water vapor, even if you can't see it. Condensation is the process of water vapor turning back into liquid water, with the best example being those big, fluffy clouds floating over your head. And when the water droplets in clou
www.usgs.gov
▶ 구름의 밀도는 0.5g/m³입니다. (어느 정도 가정이 들어간 값이라고 합니다.)
▶ 가로, 세로, 높이가 각 1km인 구름의 경우 부피는 1.0km³(=1,000,000,000m³)
▶ 따라서, 구름의 무게는 1,000,000,000 x 0.5 = 500,000,000g = 500,000kg = 500톤
▶ 이렇게 무거운 구름이 어떻게 하늘에 떠 있을까요?
2. 중력
▶ 구름을 구성하는 알갱이는 매우 작습니다. 보통 수 마이크로미터(㎛,micron)에서 수십 마이크로미터까지의 크기를 갖는다고 합니다. 빗방울의 크기가 2mm인것으로 보았을때 빗방울은 구름 알갱이 보다 10~100배 정도 큰 크기를 갖습니다.
▶ 지구상의 모든 물체는 중력으로 인하여 지상으로 떨어지는 운동을 하게 됩니다. 지상으로 떨어지기 위해서는 공기 중에
있는 공기를 뚫고 지상으로 이동을 해야 합니다.
▶ 물방울(완벽한 구라고 가정하면)의 무게는 반지름의 세제곱에 비례하고, 공기의 저항을 받는 표면적은 반지름의 제곱에 비례합니다. 크기가 커질수록 무게로 인하여 지상으로 내려오는 힘이 커지지만, 단면적도 커져서 공기의 저항 또한 커지게 됩니다. 어느정도의 크기 이상이 되어야만 중력이 공기저항보다 확연히 커져서 땅으로 떨어집니다. 100㎛ 크기의 물방울은 지상으로 낙하하는 속도는 초속 27m입니다.
▶ 그런데, 구름 알갱이는 너무 작아 공기를 뚫고 지상으로 이동하기가 어렵습니다. 이동한다고 해도 초속 1m정도 됩니다. 그렇게 어렵게 내려온다고 해도 지상에서 하늘로 부는 상승풍에 의해 다시 위로 상승하게 됩니다.
▶ 이러한 이유로 구름 입자는 지상으로 이동하기가 어려워 집니다.
3. 습한 공기가 건조한 공기보다 가볍다.
▶ 저는 처음에 선뜻 이해되지 않습니다.
▶ 지구상에 존재하는 모든 원자는 그 고유의 특성을 가지고 있습니다. 그 고유의 특성을 정리한 것이 주기율표입니다.
▶ 주기율표로부터 지구 대기의 대부분을 차지하고 있는 질소와 산소는 각각 7, 8번이고 원자량은 약 14, 16임을 알 수 있습니다. 아시겠지만, 원자량이 크다는 것은 그만큼 무겁다는 뜻입니다.
▶ 질소와 산소는 공기중에 원자 하나의 형태로 존재하지 않습니다. 질소, 산소 모두 원자 2개가 합쳐진 분자 형태로 존재하기 때문에 실제 대기에 존재하는 질소와 산소의 분자량은 각각 28,. 32입니다. 즉, 건조한 공기 중에는 분자량이 28, 32인 분자로 가득차 있습니다.
▶ 이때, 수분(H₂O)을 추가하게 되면 기존의 질소/산소와 물이 혼합되게 됩니다. 그런데, 수소(H)의 원자량은 1이기 때문에 물은 분량은 18(= 1 x 2 + 16)에 불과합니다. 또한 수분이 차지하는 공간만큼 수분보다 무거운 질소와 산소가 없어지므로 같은 부피에서 무게는 가벼워 집니다.
▶ 이 때문에, 동일 공간에서 수분이 포함된 습한 공기는건조한 공기보다 가볍게 되며, 이를 구름에 대입해보면 구름 알갱이가 포함되어 있는 상태의 공기가 지상으로 내려오기가 어렵게 됩니다.
4. 온도
▶ 하늘에는 신기한 일이 많이 발생하네요.
▶ 액체가 기체로 바뀌기 위해서는 열을 흡수합니다. (물을 끓이면 수증기가 되는 것과 같지요.)
▶ 반대로, 기체가 액체로 바뀌면 열을 내뱉습니다.
▶ 지상에서 따뜻해진 공기는 무게가 상대적으로 가볍기 때문에 하늘로 올라갑니다.
▶ 이때, 증기형태의 수분도 같이 올라가게 됩니다. 그래서 상승하는 공기는 보통 습하고 따뜻한 공기입니다.
▶ 그런데, 하늘로 올라가면 기온이 내려가 점점 차가워지고, 이때문에 증기형태 수분이 알갱이 형태로 변하게 됩니다.
▶ 이때, 증기형태에서 알갱이(액체)로 바뀌면서 열을 내게 됩니다. 방출된 열은 구름 알갱이의 겉을 덮게 됩니다.
▶ 알갱이의 겉 온도가 올라가게 되면 결국 또 상승하게 됩니다. 내려오기 쉽지 않네요.
구름이 왜 하늘에서 안 떨어지는지에 대한 내용을 확인해 보았습니다. 상당히 과학적인 이유가 있어서 놀랬습니다.
결국 물 알갱이는 여러가지 이유로 땅으로 내려오기 힘들고, 하늘에 모여서 구름이 되는 거였네요.
이 정도면 초등3학년 아들 녀석에게 아는 척 할 수 있겠죠?
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.