구름(clouds)은 지구 표면의 상공에 떠도는 수십억 개의 미세한 물방울 그리고/또는 작은 얼음 결정들로 이루어져 있다. 또한 구름은 하늘에서 두드러지게 나타나며 때때로 장관을 연출하기도 할 뿐 아니라 대기 상태에 대한 가시적인 징후를 제공하기 때문에 기상학자들에게 지속적인 관심 대상이 되어왔다. 응결이 구름을 생성하기 위해서는 공기가 포화에 도달해야 하고, 수증기가 물방울을 형성하기 위해 응결될 수 있는 표면이 존재해야 한다.
공기는 어떻게 포화에 도달할까?
공기의 포화는 상층의 공기에서 두 방법 중 하나로 일어난다.
1. 공기를 이슬점 온도까지 냉각시킨다. 우선 공기를 이슬점온도까지 냉각시키면 응결과 구름 형성이 이루어진다. 공기가 상승하여 단열냉각(adiabatic cooling)에 의해 이슬점온도까지 냉각될 때 구름이 자주 형성된다는 것을 기억하자. 공기덩어리가 상승할 때는 기압이 더 낮은 지역을 연속적으로 통과하게 되어 단열적으로 팽창하고 냉각된다. 상승응결고도(lifing condensation level, LCL)라 불리는 고도에서 상승하는 공기덩이는 이슬점온도까지 냉각이 되었을 것이고, 포화에 도달한다.
2. 포화는 또한 포화되지 않은 찬 공기가 따뜻한 수체 위를 지나면서 아래로부터 충분한 수증기가 더해질 때도 일어난다. 이 과정은 주로 하층운, 특히 아열대 해양에서 형성되는 하층운 생성의 원인이 된다.
응결핵의 역할
응결을 위해 필요한 또 다른 사항은 수증기가 응결될 수 있는 표면(Surface)이 존재해야 한다는 것이다. 땅이나 그 근처에 있는 풀잎들과 같은 사물들이 그런 표면이다. 응결이 상층에서 일어날 때는 구름 응결핵 (cloud condensation nuclei)이라고 알려진 작은 입자들이 이런 목적으로 쓰이게 된다. 응결핵이 없다면 구름방울을 만들기 위해 100%가 넘는 상대습도가 필요하다(매우 낮은 온도- 낮은 운동에너지 -에서 물 분자들은 응결핵이 없어도 작은 덩어리 안에서 '서로 달라붙는다. ).
먼지폭풍, 화산 폭발, 식물의 꽃가루 등이 구름 응결핵의 주된 공급원이다. 또한 산불, 자동차, 석탄 화로 등에 의한 연소(태워짐)의 부산물로 응결핵이 대기에 유입된다.
상층의 응결에 가장 효율적인 입자들은 흡습성(물 추구) 응결핵(hy-groscopic nude)이라 불린다. 크래커나 시리얼 등과 같은 친숙한 몇 가지 음식물이 흡습성인데, 습한 공기에 노출되면 습기를 흡수하여 빨리 상하게 된다. 바다에서는 물보라가 증발할 때 소금 입자가 대기 중에 방출된다. 소금은 흡습성이기 때문에 100%보다 낮은 상대습도에서도 해염 입자 근처에 물방울이 형성되기 시작한다. 그 결과 해염과 같은 흡습성 입자에 형성되는 구름방울들은 일반적으로 배습성(물 격퇴)
응결핵(hydrophobic nudlci)에서 성장하는 것들에 비해 훨씬 크다. 배습성 입자가 효율적인 응결핵은 아니지만, 상대습도가 100%에 도달하기만 하면 그 위에 구름방울이 형성된다.
구름 응결핵들은 물에 대해 넓은 범위의 친화력을 갖고 있기 때문에 같은 구름 안에 다양한 크기의 구름방울들이 공존하기도 하는데, 이는 강수 형성을 위한 중요한 요인이다.
구름방울의 성장
구름방울은 초기에 빠르게 성장한다. 그러나 가용 수증기가 수많은 구름방울에 의해 경쟁적으로 소비되기 때문에 그 성장률이 급속하게 줄어든다. 그 결과 대개 반지름 20mm 이하인 수십억 개의 작은 물방울로 이루어진 구름이 형성된다. 이 구름방울들은 너무 작아서 아주 작은 상승기류에도 모두 공기 중에 떠 있게 된다.
매우 습윤한 공기에서조차 부가적인 응결에 의한 구름방울의 성장은 상당히 느리다. 더군다나 구름방울과 빗방울의 크기 차이가 엄청나기 때문에(하나의 빗방울을 만들기 위해서는 약 백만 개의 구름방울이 필요하다) 증발하지 않고 지상에 떨어질 정도로 충분히 큰 빗방울(또는 얼음결정)을 만들기 위해서는 응결만으로는 부족하다. 나중에 강수를 생성하는 과정을 담은 글을 올리겠다.
구름 분류
1803년 영국의 자연주의자 루크 하워드(Luke Howart)는 오늘날 체계의 근간이 되는 구름 분류법을 출판하였다. 하워드의 체제에 따르면, 구름은 형태와 고도의 두 가지 기준을 바탕으로 분류된다. 먼저 기본적인 구름 형태 또는 모양을 살펴본 후, 구름의 고도를 고찰할 것이다.
구름의 세 가지 기본 형태
구름은 지구 표면에서 보았을 때 어떻게 나타나는가를 기초로 분류된다. 기본적인 형태 또는 모양은 다음과 같다.
• 권운(cirrus, ciriform)은 높고 희며 얇다. 이 구름은 갈라져 있으며 섬세한 면사포 조각 또는 성긴 섬유가 늘어난 모양을 하고 있다. 종종 깃털 모양으로 나타나기도 한다(cirrus'는 라틴어로 '곱슬 털' 또는 '가는 실'이다.)
• 적운(cumulus, cumuliform)은 생김새가 솜 같다고 종종 표현되는 공 모양의 구름 덩어리로 이루어진다. 보통 편평한 구름 밑면을 보여 주며 솟아오르는 둥근 천장이나 탑처럼 보인다('cumulus'는 라틴어로 '덩어리' 또는 '더미'를 뜻한다). 적운은 약간의 대류와 상승 공기가 있는 대기의 층 안에서 형성된다.
• 층운(stratus, stratiform)은 하늘 대부분 또는 전체를 덮는 홑이불 또는 층으로 이루어진다.
약간의 틈이 있을 수도 있지만 별개의 독립적인 구름 개체들은 없다. 모든 구름들은 이 세 가지의 기본 형태 중 하나를 가지고 있고, 어떤 것은 그들 중 두 가지의 결합체이다. 예를 들면 층적운은 대부분 길고 나란한 두루마리나 부서진 공 모양의 파편으로 이루어진 홑이불 같은 구조이다. 또한 난운(nimbus, '심한 비'를 나타내는 라틴어)이라는 용어는 강수를 주로 생산하는 구름의 이름으로 쓰인다. 따라서 난층운은 편평하게 펼쳐진 비구름을 나타낸다.
고도에 따른 구름의 분류는 다음 게시물에 적어보겠다.