공기 중에 충분한 수증기가 유입되거나 수증기가 액체로 변화하도록 충분히 냉각되면 응결이 발생한다는 것을 생각해 보자. 응결은 이슬, 안개 또는 구름을 만들 수 있다. 지표면 근처의 열은 지표와 바로 위의 대기 사이에 상호 교환된다. 지표가 저녁에 열을 잃으면서(복사냉각) 이슬은 잔디에 응결될 것이고 안개는 지표 바로 위 공기층에 형성될 것이다. 따라서 일몰 후에 발생하는 지표냉각은 응결을 일으킨다. 그러나 구름은 가끔 하루 중 가장 따뜻할 때 발생하는데, 이는 구름이 형성되기 위해서는 또 다른 메커니즘이 공기를 충분히 냉각할 만큼 하늘 높이 상승시켜야 한다는 점이다.
구름을 발생시키는 대부분의 과정은 쉽게 시각화할 수 있다. 손 펌프를 가지고 자전거 바퀴에 바람을 넣었을 때 펌프 통이 매우 따뜻해지는 것을 느껴 본 적이 있는가? 공기를 압축하기 위해 에너지를 가함에 따라 기체 분자들의 운동이 증가하였고 그 결과 공기의 온도가 상승했다. 반대로, 자전거 바퀴로부터 공기를 뺀다면 그것은 팽창할 것이다. 기체 분자들은 보다 덜 빠르게 움직이게 되고 공기는 차가워진다. 또 다른 예로, 아마도 헤어스프레이를 이용하거나 탈취제를 뿌림에 따라 팽창하는 추진 연료 기체의 냉각 효과를 느꼈을 것이다. 여기서 설명한 온도변화는 열의 출입이 없는 상태에서 일어난 것으로 이러한 것을 단열온도변화(adiabatic temperature change)라 부른다.
기압의 변화는 온도변화를 유발한다. 요약하면, 공기가 팽창될 때는 냉각되고 공기가 압축될 때는 따뜻해진다.
단열냉각과 단열응결
단열냉각에 대한 토의를 간단히 하기 위해 거품과 같이 얇은 막에 갇힌 일정량의 공기를 상상해 보자. 기상학자들은 이 상상의 공기 부피를 공기덩이(a parcel)라 부른다. 일반적으로 우리는 공기덩이를 부피 단위로 몇백 세제곱미터이고, 그것은 주변 공기와 무관하게 움직인다고 가정한다. 또한 공기덩이 안으로 또는 공기덩이 밖으로 열이 이동하지 않는 것으로 가정할 수 있다. 비록 이 가정이 대단히 이상화되었음에도 불구하고, 짧은 시간 동안에 이 공기덩이는 대기에서 실제 연직으로 움직이는 공기체적과 같은 방법으로 움직인다. 자연에서는 때때로 주변 공기가 연직으로 움직이는 공기덩이에 침투하는데, 이 과정을 유입(흡입, entrainment)이라 부른다. 우리는 다음 토의를 위해 이러한 유형의 혼 합이 발생하지 않음을 가정할 것이다.
기압은 고도가 높아질수록 감소한다. 위쪽으로 상승하는 공기덩이는 항상 연속적으로 압력이 낮은 고도를 통과한다. 그 결과 상승하는 공기덩이는 팽창하고 단열적으로 냉각한다. 불포화된 공기덩이는 매 1,000 m 상승 시 10°C의 일정한 비율로 냉각된다(5.5°F/1000ft). 반대로 하강하는 공기덩이는 점점 높은 압력 고도를 통과함에 따라 압축되며 매 1,000m 하강 시 10°C만큼 가열된다. 이 냉각률과 가열률은 오직 연직으로 이동하는 불포화된 공기덩이에만 적용이 되며 건조단열감률(dry adiabatic rate)이라 한다(공기덩이가 불포화되었기 때문에 '건조').
공기덩이가 충분히 높이 상승하면, 그것은 마침내 이슬점온도까지 냉각될 것이고 응결 과정이 시작될 것이다. 공기덩이가 포화에 도달하여 구름이 형성되기 시작하는 고도를 상승응결고도(lifing condensation level, LCL) 또는 단순히 응결고도라 부른다. 상승응결고도에서는 중요한 현상이 발생한다. 즉, 수증기가 증발할 때 흡수했던 잠열이 온도계로 측정될 수 있는 현열로 방출된다. 공기덩이가 단열적으로 계속 냉각될지라 도 이 잠열의 방출이 냉각률을 낮춘다. 즉, 공기덩이가 상승응결고도 이상으로 상승하면 잠열의 방출이 팽창에 의한 냉각을 부분적으로 상쇄하기 때문에 냉각률은 감소된다. 잠열 방출에 의해 줄어든 이 냉각률을 습윤단열감률(wet adiabatic rate)이라 부른다(또한 포화단열감률이라고도 한다).
방출되는 잠열의 양은 현재 공기 중의 수증기 양에 좌우되기 때문에(보통 0~4%) 습윤단열감률은 수분 함유량이 많은 공기에서는 1,000m당 5°C이고, 수분 함유량이 적은 공기에서는 1,000m당 약 9°C로 다양하다.
요약하면, 상승하는 공기덩이는 지표로부터 상승응결고도까지는 건조단열감률로 냉각되고 그 고도 이후부터는 습윤단열감률로 냉각된다.
왜 공기가 어떤 경우에는 구름을 생성할 수 있을 정도로 상승하고 다른 경우에는 상승하지 않을까?
일반적으로 공기는 수직적 움직임에 저항하는 경향이 있어 지표 근처에 위치한 공기는 지표 근처에 머무르려는 경향이 있고, 상층의 공기는 상층에 머무르려는 경향이 있다. 그러나 다음의 네 가지 과정이 공기를 상승하도록 하여 구름을 발생시킬 것이다.
<공기덩이를 상승시키는 4가지 과정>
1. 지형성상승: 공기덩이가 산악 장애물에 의해 강제 상승된다.
2. 전선 치올림: 더 따뜻하고 밀도가 작은 공기덩이가 차고 밀도가 큰 공기덩이 위로 강제 상승된다.
3. 수렴: 수평적 공기 흐름에 의해 쌓인 공기가 상승의 원인이 된다.
4. 국지적 대류 치올림: 지표의 불균등 가열이 부력을 갖게 하여 국지적으로 공기덩이를 상승하게 한다.
지형적상승
지형성상승(orographic lifing)은 산맥과 같은 높은 지형이 공기 흐름에 장애물로서 작용할 때 발생한다. 공기가 산맥의 경사면을 따라 상승할 때 단열냉각으로 인해 때때로 구름과 많은 강수를 일으킨다. 사실, 세계에서 다우 지역의 대부분이 산맥 경사면의 풍상측에 위치한다. 공기가 산맥의 풍하측에 도달할 때는 이미 공기의 수분 중 많은 부분이 제거된 상태이다. 공기가 하강할 때는 응결과 강수가 거의 일어나지 않기 때문에 단열적으로 온도를 상승시킨다. 결과는 비그늘 사막(rain shadow desert)이다. 미국 서부의 그레이트베이슨 사막은 태평양으로부터 단지 몇백 킬로미터 떨어져 위치하고 있다. 그러나 거대한 시에라네바다 산맥에 의해 해양의 수분으로부터 완전히 차단되고 있다. 몽골의 고비 사막, 중국의 타클라마칸 그리고 아르헨티나의 파타고니아 사막은 모두 산맥 의 풍하측에 위치하기 때문에 존재하는 사막의 다른 예들이다.
전선 치올림
북미의 중부에서 온난기단과 한랭기단이 만나면서 전선(front)을 만든다. 밀도가 높고 찬 공기는 밀도가 낮고 따뜻하여 상승하는 공기에 대해 장애물(경계면)로서 작용한다. 전선 치올림(froncal lifing) 또는 전선 쐐기(Frontal wedging)라 부른다. 온난기단과 한랭기단이 만나 형성된 전선면을 따라 공기가 올라가면서 공기덩이의 상승이 나타난다.
일기를 변화(producing)시키는 전선들은 중위도 저기압이라 부르는 폭풍 시스템과 관련된 것을 주목해야 한다. 이 폭풍들은 중위도 지역에 많은 강수를 일으키는 원인이 된다.
수렴
지표면 근처에서의 바람 패턴이 흘러나가는 양보다 들어오는 양이 많을 때 우리는 이 현상을 수렴(conver-gence)이라 부르며 치올림이 발생한다. 치올림(상승)의 기구(메커니즘)로서 수렴은 주로 중위도 저기압과 태풍과 같은 저기압의 큰 중심들과 관계된다. 이들 기압계의 지면에서 공기의 유입 흐름은 상승에 의해 평형을 이루며 구름이 형성되고 보통 비를 동반한다.
수렴은 또한 장애(방해)물이 속력을 늦추거나 공기의 수평 흐름(바람)을 억제할 때는 언제든지 일어난다. 예를 들어, 공기가 해양과 같이 상대적으로 매끄러운 표면으로부터 불규칙한 대지 위로 움직일 때 공기의 속도는 증가된 마찰력에 의해 감속된다. 그 결과 공기는 축적된다(수렴). 공기가 수렴할 때 공기분자들은 단순히 서로 압축(사람들이 혼잡한 건물 속으로 들어갈 때 발생하는 것과 같이)되기보다는 공기분자들의 상승 흐름이 발생한다.
플로리다반도는 구름의 발달과 강수가 시작되는 데 있어서 수렴의 역할에 대한 좋은 예를 제공한다. 따뜻한 날 공기 흐름은 플로리다 양쪽 해안을 따라 해양에서 육지로 흐른다. 이것은 해안가 지역에 공기를 축적하고 반도 위에 일반적인 수렴을 일으킨다. 이런 패턴의 공기 움직임에 의한 상승은 육지에서의 강한 태양 가열에 의해 더 힘을 받는다. 그 결과, 플로리다반도는 미국에서 한낮에 뇌우가 가장 빈번하게 발생하는 지역이다.
국지적 대류 치올림
따뜻한 여름 낮에 지표의 불균등 가열은 공기덩이를 주변 공기보다 더 따뜻해지게 가열시킨다(그림 4.21). 예를 들어, 식생이 없는 토지 위의 공기는 근처 농작물 위의 공기보다 더 따뜻해질 것이다. 그러므로 주위 공기보다 더 따뜻한(밀도가 낮은) 토지 위의 공기덩이는 위로 떠 오를 것이다. 이 상승하는 따뜻한 공기덩이를 열기포(chermals)라 부른다. 매와 독수리 같은 새들은 방심하는 먹이들을 찾아낼 수 있는 높은 고도로 올라가기 위해 이 열기포를 이용한다. 사람들은 행글라이더를 사용하면서 이렇게 상승하는 공기덩이를 사용하여 나는 법을 배웠다.
상승하는 열기포를 발생시키는 현상을 국지적 대류 치올림(localized convective lifing) 또는 단순히 대류 치올림(convective lifing)이라 부른 다. 이 따뜻한 공기덩이들이 상승응결고도 이상으로 상승하면, 구름이 형성되고 때때로 한낮에 소나기를 내리게 한다. 지표의 불균등 가열에 의해 야기된 불안정도는 강해야 주로 지상에서 수 킬로미터로 한정되기 때문에 이 과정에 의해 발달된 구름의 고도는 어느 정도 제한된다.
또한 때때로 수반되는 비가 강할지라도 지속 시간이 짧고 지역적 편차가 크기 때문에 이러한 현상을 소낙비(sun showers)라고 한다.