지난 대기과학 포스팅에서는 단열변화, 그러니까 건조단열변화와 습윤단열변화에 대해 다루었습니다.
대기 움직임의 기본 - 단열변화
지난 대기과학 포스팅에서는 단열선도에 대해 다루었습니다. 대기를 해석하는 그래프 단열선도(Skew T - Log P digram) 단열선도라는것은 연직방향으로 대기의 기온과 이슬점 온도, 풍향, 풍속 등을
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이번 포스팅에서는 건조단열변화와 습윤단열변화를 단열선도에 적용하여 해석하면서 동시에 상승응결고도와 자유대류고도에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
1. 공기가 상승하는 경우
가만히 있는 공기도 여러가지 원인에 의해 온도가 낮아져 이슬점온도에 도달하면 응결이 시작될 수 있습니다. 여기서는 가만히 서서 응결하는 공기를 다루는것이 아니라 상승하는 공기를 다룰 건데, 지난 포스팅에서 다룬 것 처럼, 공기는 상승하면 온도가 감소합니다. 건조공기의 경우 100m당 1도씨, 습윤 공기의 경우, 고도에 따라 다르지만 대략 100m당 0.5도씨씩 감소합니다. 이렇게 온도가 감소하다보면 언젠가 이슬점온도에 도달하고, 이슬점온도에 도달하면 공기 중 수증기는 응결하기 시작합니다. 그러면 가만히 있는 공기가 갑자기 왜 상승하는지 4가지 경우를 살펴보겠습니다.
가. 저기압에 의한 상승
가장 잘 알려진 부분입니다. 지면에 저기압이 생기는 상황이야 여러가지가 있겠지만, 저기압이 형성되면 주변에서 공기가 몰려오고(수렴하고) 이로인해 공기는 위로 상승하게 됩니다. 위 그림에서 L은 저기압, H는 고기압이며, 저기압에서는 주변에서 공기가 몰려오고, 이로인해 공기는 수렴하여 상층으로 상승하게 됩니다.
나. 전선면을 만나며 상승
전선면을 만났을 때에도 공기는 상승하게 됩니다. 따뜻한 공기와 찬공기는 밀도가 크게 다르고, 섞이지 못합니다. 그래서 결국 어떤 상황에서든 밀도가 작은 따뜻한 공기는 찬 공기 위로 올라가게 됩니다. 한랭전선이든 온난전선이든 마찬가지입니다.
다. 국지적 가열에 의한 상승
공기를 가열시키는건 지면입니다. 공기는 태양복사에 대해 거의 투명하여, 태양복사를 잘 흡수하지 못하기 때문입니다. 태양복사에 가열된 지면은 다시 장파복사에너지를 방출하며, 이 에너지가 공기를 가열하게 됩니다. 공기의 온도가 상승하면, 공기는 팽창하게 되고, 밀도가 낮아지며 상승하게 됩니다. 여름철 맑은날 뭉게구름이 생기는 이유가 대부분 이것 때문이라네요.
라. 지형(산맥)을 만났을 때 상승
산맥과 같은 높은 지형을 만났을때에도 공기는 상승하게 됩니다. 이 경우 공기가 상승하며 구름이 형성되고 비가 내리게 되고, 다시 산맥을 따라 하강하며 공기는 처음보다 고온 건조해지게 됩니다. 푄 현상(높새바람)이 여기에 해당합니다.
2. 상승응결고도
이제 상승응결고도를 알아볼 단계입니다. 상승응결고도(lifting condensation level, LCL)라는건 공기가 어떤 원인으로 상승하다가 이슬점온도에 도달하여 응결이 시작되는 고도를 말합니다. 상승하다 응결하기 시작하면 물방울, 다시말해 구름이 만들어지기 시작하니까, 구름 최하층 높이라고 생각해도 됩니다.
앞서 포스팅에서도 봤던 것 처럼, 건조한 공기가 상승하면 온도는 건조단열선을 따라 100m당 1℃씩 낮아지고, 이슬점 온도는 0.2℃씩 낮아집니다. 그럼 건조공기의 온도가 더 빠르게 떨어지니까 언젠가는 이슬점 온도에 도달하게 됩니다. 예를들어 어떤 공기가 지면에서 온도가 17℃, 이슬점 온도가 9℃라고 하면, 이 공기는 1000m 상승하면 온도는 7℃, 이슬점온도는 7℃가 됩니다. 그러면 이 공기에 있는 물방울들은 응결하기 시작하게 됩니다.
고등학교 지구과학2에서 다루는 단열선도는 skw T - log P 가 아니기 때문에, y축이 압력이 아닌 고도로 나옵니다. 그래서 이슬점 감률선이 저 위 그림처럼 되어있지 않고, 아래 그림처럼 되어있습니다.
상승응결고도는 수학적으로도 계산 가능합니다. 매우 간단해요.
공기가 상승하며 온도와 이슬점온도가 함께 감소하다가 같아지는 지점을 계산하면 됩니다.
지면에서 공기의 온도를 T, 이슬점온도를 Td라고 하고, 고도 h에서 두 온도가 같아졌다고 하면, 간단히 아래와 같은 관계를 가지게 됩니다.
우리가 알고자 하는건 고도 h에 대한거니, h에 대하여 식을 다시 쓰면,
가 됩니다. 사실 저 관계는 궂이 외울 필요는 없습니다. 외워두면 문제를 풀기에는 편하긴 하지만요..
3. 자유대류고도와 평형고도
그럼 실제 단열선도에서 상황을 살펴보겠습니다. 그리고 이 과정에서 자유대류고도와 평형고도를 함께 알아보겠습니다.
위 그림에서 LCL은 상승응결고도, LFC는 자유대류고도입니다. 지표면 공기의 온도는 T이고 이슬점 온도는 Td입니다. 그리고 진한 실선으로 이 공기 기둥의 온도와 이슬점온도 분포가 쫙 나와있습니다. 지표면에 있는 온도가 T, 이슬점 온도가 Td인 공기를 위로 강제로 올리면 점 A에서 만납니다. (참고로 이 공기는 건조단열 상승과정에서 스스로 올라갈 수 없습니다. 주변보다 상승하는 공기의 온도가 더 낮기 때문인데, 이런 공기를 안정대기라고 합니다.대기 안정은 추후 포스팅 하겠습니다.) 여기가 상승응결고도(LCL)이 됩니다. 그럼 이제부터 공기는 습윤공기가 되고, 습윤 공기는 습윤단열선을따라 올라갑니다. 여기서 주의할것은 상승하는 공기의 온도가 주변보다 낮기 때문에 공기는 계속 스스로 올라가진 못하고 누군가 강제로 올려줘야 합니다.
그리고 위 그림에 LFC라고 써 있는곳에 도달하면 공기의 온도가 주변과 같아집니다. 이때부터 공기는 스스로 올라갈 수 있게 됩니다. 이 고도를 자유대류고도(Level of Free Convection, LFC)라고 합니다.
자유대류고도 이후 공기는 쭉 자발적으로 올라가다가 EL(Equilibrium Level), 즉 평형고도에 도달하면 스스로 올라가지 못하고 상승을 종료합니다. 여기가 바로 구름의 최상부 높이가 됩니다.
4. positive area, negative area
위 그림을 자세히 보시면, positive area라고 써 있는 곳과, negative area라고 써 있는곳이 있습니다. 의미는 그리 어렵지 않습니다.
- positive area : 상승하는 공기의 온도가 주변 공기의 온도보다 높은 곳. 이 영역은 공기가 자발적으로 상승할 수 있는 영역입니다.
- negative area : 상승하는 공기의 온도가 주변 공기의 온도보다 낮은 곳. 이 영역은 공기가 자발적으로 상승하지 못하는 영역입니다.
이번 글은 이정도로 마칠까 합니다. 다음 대기과학분야에 대한 글은 대류응결고도에 대해 다루어보도록 하겠습니다.
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