구름은 왜 스스로 위로 솟나

첫 걸음은 쉽습니다. 해가 땅을 데웁니다.

해는 공기를 직접 못 데웁니다. 햇빛은 공기를 거의 그냥 통과해서 땅에 닿아 땅을 데우고, 뜨거워진 땅이 맞닿은 공기를 데웁니다. 그래서 여름에 가장 더운 때가 해가 가장 높은 정오가 아니라 오후 두세 시인 것입니다 — 땅이 데워지는 데 시간이 걸립니다.

데워진 공기는 부풀어서 가벼워집니다. 같은 부피에 든 공기 알갱이 수가 줄어드니까요.

가벼우면 어떻게 될까요. 물에 넣은 나무토막처럼 둘레보다 가벼운 것은 떠오릅니다. 열기구가 뜨는 것이 바로 이것입니다. 열기구는 자루 안의 공기를 불로 데워 가볍게 만듭니다.

이렇게 데워진 공기가 오르고 식은 공기가 내려오며 도는 것을 대류라고 합니다.

여기서부터가 이 편의 본론입니다.

올라간 공기는 식습니다. 그런데 이상합니다 — 누가 식힌 것이 아닙니다. 찬 것에 닿은 것도 아니고 열을 빼앗긴 것도 아닙니다.

까닭은 이렇습니다. 위로 갈수록 둘레 기압이 낮습니다(앞 편에서 10m마다 1hPa씩 낮아진다고 했습니다). 누르는 힘이 약해지니 올라간 공기 덩이는 부풉니다.

그런데 부푸는 데도 힘이 듭니다. 둘레 공기를 밀어내야 하니까요. 그 힘을 어디서 낼까요? 제가 가진 열을 씁니다. 그래서 열을 빼앗기지 않았는데도 제 온도가 내려갑니다.

이것을 단열냉각이라고 합니다. '단열'은 열을 주고받지 않았다는 뜻입니다.

얼마나 식을까요. 100m 오를 때마다 1℃씩입니다. 아래 그림의 주황색 선이 그것이고, 파란색은 그냥 그 자리에 있던 둘레 공기입니다.

오르면서 식는다면, 어느 높이에서 더는 수증기를 품지 못하는 온도에 닿습니다. 그 온도를 이슬점이라고 합니다.

거기서 수증기가 응결해 물방울이 됩니다. 그 높이가 응결 고도, 곧 구름의 바닥입니다.

어림하는 식이 있습니다. 기온과 이슬점의 차이 × 125m입니다. 기온 30℃에 이슬점 24℃면 750m쯤에서 구름이 시작합니다.

습도로 어림해도 비슷합니다 — (100 − 습도) × 25m입니다. 습도 70%면 역시 750m입니다.

아래 손잡이를 움직여 보세요. 습한 날은 구름 바닥이 낮고, 마른 날은 높습니다. 장마철에 구름이 낮게 깔리고 가을 하늘의 구름이 높아 보이는 것이 이것입니다.

여기서 하늘에서 눈으로 확인할 수 있는 것이 하나 나옵니다.

같은 들판 위의 공기는 기온도 습도도 거의 같습니다. 그러면 오르다가 이슬점에 닿는 높이도 다 같습니다.

그래서 뭉게구름 여러 채의 바닥이 모두 같은 높이에 자로 잰 듯 놓입니다. 위쪽은 제각각 울퉁불퉁한데 아래쪽만 한 줄로 반듯합니다.

다음에 맑은 날 뭉게구름을 보시면 바닥 선을 눈으로 이어 보세요. 하늘에 보이지 않는 줄이 그어져 있습니다. 그 줄의 높이가 방금 구한 응결 고도입니다.

바다 쪽과 뭍 쪽의 구름 바닥 높이가 다르게 보인다면, 그것은 두 곳의 습도가 다르다는 뜻입니다.

이제 이 편에서 가장 뜻밖의 이야기입니다.

수증기가 물방울이 될 때 열이 나옵니다. 물이 마를 때 시원해지는 것을 아실 겁니다 — 마르려면 열이 필요해서 둘레에서 빼앗아 가기 때문입니다. 응결은 그 반대이므로, 빼앗아 두었던 열을 도로 내놓습니다.

이 숨어 있던 열을 잠열이라고 합니다. 양이 상당합니다 — 물 1g이 응결하면 같은 물 1g을 600℃ 가까이 데울 만한 열이 나옵니다.

그러면 어떻게 될까요. 오르던 공기는 여전히 식지만, 속에서 열이 나오니 덜 식습니다.

그래서 구름 바닥에서 선이 꺾입니다.

• 구름 아래 — 100m마다 1℃
• 구름 속 — 100m마다 0.5℃쯤

이 꺾임 하나가 모든 것을 바꿉니다.

둘레 공기는 위로 갈수록 계속 같은 속도로 식습니다(100m마다 0.65℃쯤). 그런데 구름 속의 공기는 절반 속도로만 식습니다.

그러면 위로 갈수록 둘 사이가 벌어집니다. 구름 속이 둘레보다 점점 더 따뜻해집니다.

따뜻하면 가볍고, 가벼우면 뜹니다. 그러니 올라갈수록 더 세게 밀려 올라갑니다. 그림에서 색칠한 자리가 그 '더 따뜻한 만큼'이고, 위로 갈수록 넓어집니다.

이것이 제목의 답입니다. 구름은 스스로 솟습니다. 한번 응결이 시작되면 그 응결이 내놓는 열이 다음 상승을 밀어 주고, 더 오르니 더 응결하고, 더 응결하니 더 밀어 줍니다.

아침에 손바닥만 하던 것이 오후에 산더미가 되는 까닭입니다.

그렇다면 왜 아침에는 구름이 안 솟을까요. 아침에도 땅은 공기를 데우는데요.

솟는지 안 솟는지는 둘 사이의 견줌으로 정해집니다.

• 오르던 공기가 둘레보다 따뜻하면 → 계속 오른다 (불안정)
• 오르던 공기가 둘레보다 차가우면 → 도로 가라앉는다 (안정)

아침에는 땅이 아직 덜 데워져서, 오르던 공기가 금세 둘레보다 차가워집니다. 몇 십 m 오르다 도로 내려앉습니다. 구름이 생길 틈이 없습니다.

오후가 되어 땅이 뜨거워지면 출발 온도가 높아지고, 그러면 훨씬 높이까지 둘레보다 따뜻한 채로 오를 수 있습니다.

일기예보에서 "대기가 불안정해 소나기가 오겠다"고 하는 말이 이것입니다. 날씨가 사나워진다는 뜻이 아니라, 오른 공기가 도로 안 내려온다는 뜻입니다.

스스로 솟는다면 어디까지 솟을까요.

끝이 있습니다. 땅에서 11km쯤(여름에는 더 높이) 올라가면 대류권이 끝나고, 그 위는 높이 오를수록 오히려 따뜻해집니다.

그 위로는 아무리 애써도 둘레보다 따뜻해질 수가 없습니다. 그러니 더 못 오릅니다. 이 경계를 대류권계면이라고 합니다.

솟아오르던 구름은 거기서 천장에 부딪힌 연기처럼 옆으로 퍼집니다. 그 퍼진 모양이 대장간의 모루를 닮았다고 해서 모루구름이라고 부릅니다.

여기까지 자란 것이 적란운입니다. 아래에서 위까지 세 층을 다 차지하고, 소나기와 번개와 우박이 여기서 옵니다.

멀리 있는 뭉게구름 꼭대기가 납작하게 눌린 것처럼 보인다면, 그 구름은 하늘의 천장에 닿은 것입니다.

지금 이 동네 값을 가져오지 못했습니다. 오늘이 어떤 날인지 화면은 모릅니다. 모르는 것을 아는 척하지는 않겠습니다.

위 그래프도 오늘 값을 못 가져왔습니다. 그러면 창밖으로 재는 수밖에 없습니다 — 그리고 그쪽이 더 확실합니다.

오늘 창밖을 세 번 보세요 — 아침, 오후 두세 시, 해질 무렵.

• 구름의 키가 어떻게 달라지는지 보시면 됩니다. 바닥 높이는 거의 그대로인데 꼭대기만 자랍니다
• 기온이 가장 높아지는 때는 대개 오후 두세 시입니다. 해가 가장 높은 정오가 아닌 것은 땅이 데워지는 데 시간이 걸리기 때문입니다

그 시각이 여름이면 공기가 가장 높이 솟을 수 있는 때이고, 그래서 소나기가 아침이 아니라 늦은 오후에 쏟아집니다.

덥지 않은 날이라면 꼭대기가 별로 안 자랄 것입니다. 그것을 본 것도 관찰입니다 — 더운 날 다시 보면 차이가 그대로 드러납니다.