저번 글에서는 한랭구름에서의 베르예론 과정을 통해 강수가 형성되는 것을 다뤘다. 이번에는 온난구름에서의 충돌 병합 과정을 통해 강수가 형성되는 것을 보자.
온난구름에서 생성되는 강수 : 충돌-병합 과정
충돌-병합 과정(collision-coalescence process)은 구름 꼭대기가 - 15°c 보다 따뜻한 온난구름에서 강수를 생성하는 주된 과정이다. 간단히 말해 충돌-병합 과정은 미세한 구름방울이 함께 달라붙는(병합하는) 다중 충돌을 포함하며, 증발하기 전에 지표에 도착하기에 충분히 큰 빗방울을 형성한다.
충돌-병합 과정에 의한 빗방울 형성에 필요한 사항 중의 하나는 평균 이상 크기의 구름방울이 존재하는 것이다. 연구에 따르면 물방울로만 이루어진 구름은 대개 20㎛(0.02mm) 보다 큰 물방울을 포함한다. 이러한 큰 물방울은 '거대' 응결핵이 존재하거나 흡습성 입자(바다 소금과 같은)가 상승기류에 의해 대기 속으로 운반될 때 형성된다. 흡습성 입자는 100% 미만의 상대습도에서도 수증기를 모으기 시작한다. 큰 구름방울들이 수많은 작은 구름방울들과 섞여 있을 때 강수 형성에 가장 이상적인 조건이 된다.
구름방울의 크기와 낙하 속도
물체가 떨어질 때 종단속도(terminal velocity)라 불리는 최대 속도는 공기 저항이 물체에 대한 중력 끌림과 같을 때 일어난다. 큰 물방울들은 그들의 무게에 비해 표면적률이 작기 때문에 작은 물방울보다 빨리 떨어진다. 야구모자를 쓰고 스카이다이빙을 한다고 상상해 보자. 몸이 무게에 비해 표면적률이 낮기 때문에 야구모자보다 훨씬 높은 종단속도를 보인다.
아래 표에 이 법칙이 구름방울과 그 낙하 속도에 어떻게 적용되는지 요약하였다.
| 유형 | 지름(mm) | 낙하 속도 | |
| km/hr | mi/hr | ||
| 작은 구름방울 | 0.01 | 0.01 | 0.006 |
| 통상적인 구름방울 | 0.02 | 0.04 | 0.03 |
| 큰 구름방울 | 0.05 | 0.3 | 0.3 |
| 이슬비 방울 | 0.5 | 7 | 4 |
| 통상적인 빗방울 | 2.0 | 23 | 14 |
| 큰 빗방울 | 5.0 | 33 | 20 |
< 물방울의 낙하 속도 >
큰 물방울들이 구름을 통과해서 떨어지면 더 작고 느린 물방울과 충돌하여 병합한다. 이 과정에서 물방울들은 크기가 커지면서 더 빠르게 떨어지고(또는 상승기류에서 더 느리게 상승하고, 충돌의 기회와 성장률이 더 커진다. 수백만 개의 구름 방울들이 병합하면 증발하지 않고 지상에 떨어질 정도로 충분히 큰 빗방울을 형성한다.
빗방울의 크기로 커지기 위해서는 엄청난 수의 충돌이 필요하기 때문에, 연직 두께가 두껍고 큰 구름방울을 가진 구름이 강수를 생성할 가능성이 가장 크다. 불안정한 공기와 연관된 상승기류도 이 과정을 돕는데, 물방울이 반복적으로 구름을 통과하여 더 많이 충돌하도록 하기 때문이다.
빗방울의 크기가 커지면 그에 따라 낙하 속도가 증가한다. 이것이 이번에는 공기의 마찰 저항을 증가시켜서 빗방울의 '바닥'이 편평해지게 한다. 빗방울의 지름이 4mm에 이르면, 저압부가 발달한다. 빗방울은 시속 33km로 떨어질 경우 최대 5mm까지 커질 수 있다. 이 크기에서 물방울을 지탱하는 물의 표면 장력은 공기의 마찰항력보다 작다. 저압부는 거의 폭발적으로 성장하여 금세 여러 조각으로 부서지는 도넛 모양의 링을 형성한다. 이로 인해 큰 빗방울이 부서져서 수많은 작은 물방울이 되어 다시 구름방울을 흡수하기 시작한다.
구름방울들이 어떻게 병합하는가
충돌-병합 과정은 보이는 것처럼 그다지 단순하지는 않다. 먼저 큰 물방울들이 떨어지면서 그 주변에 기류를 형성하는데, 이는 고속도로에서 빨리 달리는 자동차에 의해 생성되는 것과 유사하다. 이 기류는 물체, 특히 가장 작은 구름방울들을 밀어낸다. 여름밤에 시골길을 운전한다고 상상해 보라. 공기 중의 벌레는 구름방울과 비슷하다. 대부분이 옆으로 밀려나지만 큰 벌레(구름방울)는 자동차(거대 물방울)와 충돌할 가능성이 높다.
다음으로, 충돌한다고 해서 반드시 병합하는 것은 아니다. 실험에 따르면 대기전기의 존재가 이 물방울들이 일단 충돌한 후 함께 붙어 있게 하는 것이 무엇인지 알아내는 열쇠가 될 수 있다. 음전하를 가진 물방울이 양전하 물방울과 충돌하면 전기적 인력이 이 물방울들을 결합시킬 수 있다.
열대 해양 위의 공기가 충돌-병합 과정에 의한 강수의 발달에 이상적인데, 이는 상대적으로 깨끗한 공기가 인구가 많은 도시 지역의 공기와 비교해 볼 때 응결핵을 적게 갖고 있기 때문이다. 가용 수증기(풍부한)를 두고 경쟁하는 응결핵이 적기 때문에 응결이 빠르게 진행되고 비교적 소수의 큰 구름방울을 생성한다. 발달하는 적운 내에서 가장 큰 물방울은 작은 물방울과 신속하게 합쳐져서 열대 기후와 연관된 따뜻한 오후 소나기를 생성한다.
중위도에서 충돌-병합과정은 베르예론 과정과 협력하여 대형 적란운으로부터의 강수에 기여할 수 있는데, 특히 고온 다습한 여름철에 그러하다. 이 적란운 상부에서 베르예론 과정은 눈을 생성하는데, 이는 결빙고도 아래를 지날 때 녹는다. 눈송이들이 녹으면서 낙하 속도가 빠르고 비교적 큰 물방울들을 형성한다. 이 큰 물방울들이 하강해서 구름의 하부 영역 대부분을 차지하는 느리고 작은 구름방울을 따라잡아 병합한다. 그 결과로 폭우가 내릴 수 있다. 요약하자면, 두 가지 기작, 즉 베르예론 과정과 충돌-병합 과정이 강수를 생성하는 것으로 알려진다. 베르예론 과정은 한랭구름(또는 한랭구름 꼭대기)이 많이 모여 있는 중위도 및 고위도에서 우세하다. 열대지방에서는 엄청난 양의 수증기와 비교적 소수의 응결핵이 더 일반적이다. 이로 인해 낙하 속도가 빠른 소수의 큰 물방울이 형성되어 충돌 및 병합에 의해 커진다.
[ 충돌-병합 과정 요약 ]
A. 큰 구름방울들이 작은 구름방울들보다 더 빨리 떨어지기 때문에 큰 구름방울들이 떨어지면서 작은 구름방울들을 낚아채 커진다.
B. 구름방울들이 커지면서 낙하 속도가 증가하고, 그 결과 공기 저항도 증가하게 되어 빗방울은 편평해지게 된다.
C. 빗방울의 크기가 4mm에 이르면 바닥에서 저압부가 발달한다.
D. 마침내 지름이 약 5mm를 초과할 때 저기압이 거의 폭발적으로 위로 성장해서 금세 작은 물방울로 부서지는 도넛 모양의 물의 링을 형성한다. (큰 빗방울이 여러 개의 작은 빗방울로 부서져 결착(accretion)에 의해 성장함)