구름이 왜 높은 곳에 머물다가 우기가 되면 산이나 언덕으로 내려오는지 궁금해 본 적이 있나요? 우기가 되면 구름은 산이나 언덕으로 내려왔다가 다시 위로 올라가기도 합니다. 구름은 왜 내려오고, 다시 위로 올라가는 이유는 무엇일까요?
밀도
이를 이해하기 위해서는 먼저 밀도의 개념을 알아야 합니다 . 밀도는 질량과 부피의 비율이며, 수학적으로 ρ = m / V라는 공식으로 표현됩니다. 여기서 ρ는 밀도, m은 질량, V는 부피를 나타냅니다. 예를 들어, 질량이 1kg이고 부피가 1m³ 이면 밀도는 1/1 = 1kg/m³ 입니다 . 질량이 1kg이고 부피가 2m³ 이면 밀도는 1/2 = 0,5kg/m³입니다 . 마찬가지로, 질량이 1kg이고 부피가 4m³이면 밀도 는 1/4 = 0,25kg/m³입니다 . 따라서 질량이 일정할 때 부피가 증가하면 밀도는 감소한다는 것을 알 수 있습니다.
반면에 질량이 4kg이고 부피가 1m³이면 밀도 는 4/1 = 4kg/m³입니다. 질량이 2kg이고 부피가 1m³이면 밀도는 2/1 = 2kg/m³ 입니다 . 마찬가지로 질량 이 1kg이고 부피가 1m³이면 밀도는 1/1 = 1kg/m³입니다. 따라서 부피 가 일정 하게 유지되는 동안 질량이 감소하면 밀도도 감소한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
팽창과 압력
불에서 나오는 연기를 본 적이 있나요? 바람이 없을 때는 연기가 위로 올라가는 경향이 있습니다. 연기는 온도가 높아서 팽창합니다. 이 팽창으로 연기의 부피가 늘어나고 밀도가 낮아집니다.
연기의 밀도는 주변 공기의 밀도보다 작기 때문에 주변 공기에 의해 위로 밀려 올라갑니다. 이러한 밀려 올라가는 힘은 압력 차이 때문에 발생합니다. 연기는 공기의 밀도가 연기의 밀도와 같아지는 지점까지 위로 이동합니다. 밀도가 같아지면 압력 차이가 없어지기 때문입니다.
가야 그라비타시
지표면에서 높이 올라갈수록 그 위치에 작용하는 중력은 작아집니다 . 따라서 지표면에 가까울수록 공기의 양이 많고, 지표면에서 높이 올라갈수록 공기의 양은 줄어듭니다. 같은 부피를 기준으로 할 때, 고도가 높은 곳의 공기 질량은 지표면 근처의 공기 질량보다 작습니다. 부피는 일정하게 유지되지만 질량은 감소하므로 공기의 밀도는 감소합니다. 따라서 지표면에서 높이 올라갈수록 공기의 밀도는 낮아집니다.
구름은 밀도가 주변 공기의 밀도와 같아지는 고도에 존재합니다.
우기에는 구름의 밀도가 주변 공기보다 크기 때문에 구름이 산비탈이나 언덕으로 내려앉을 수 있습니다. 이러한 구름 밀도 증가는 수증기 존재로 인한 구름 질량 증가 또는 구름 온도 감소로 인한 부피 감소 때문에 발생할 수 있습니다. 구름이 공중에서 떨어지는 것은 물속에서 돌이 떨어지는 것과 유사한데, 돌의 밀도가 물의 밀도보다 크기 때문입니다.
산비탈이나 언덕 근처에서는 구름의 밀도가 주변 공기의 밀도와 같습니다. 구름의 밀도가 주변 공기의 밀도보다 낮아지면 구름은 다시 위로 올라갑니다. 구름이나 공기의 밀도 변화는 질량이나 부피의 변화 때문에 발생합니다. 부피는 온도가 변할 때 변하는데, 이는 팽창에 관한 내용에서 설명했습니다. 질량은 수증기 함량이 변할 때 변합니다.
더 자세히 알고 싶으시다면 부력 , 뜨는 것 , 가라앉는 것의 개념을 공부해 보세요. 뜨거나, 떠 있거나, 가라앉는 현상은 물이나 공기와 같은 유체에서 발생할 수 있습니다.
