산꼭대기가 왜 더 추운지 궁금해 본 적 있으신가요? 산꼭대기나 고지대는 일반적으로 저지대나 해수면 근처의 공기보다 시원합니다. 해발 고도가 높을수록 공기는 더 차가워집니다. 산꼭대기는 태양에 더 가깝기 때문에 공기가 더 따뜻해야 할 텐데, 왜 산꼭대기는 더 추운 걸까요?
뉴턴의 만유인력 법칙 에 따르면 , 어떤 지점에 작용하는 지구 중력의 크기는 지구 중심과 그 지점 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다. 즉, 지구 중심에서 멀어질수록 그 지점에 작용하는 지구 중력은 작아집니다. 다시 말해, 해발 고도가 높을수록 그 지점에 작용하는 지구 중력은 작아집니다. 따라서 해수면 근처나 저지대에 작용하는 지구 중력은 고원이나 산 정상에 작용하는 지구 중력보다 큽니다.
지구의 중력은 과일을 땅으로 끌어당기고, 사람을 끌어당겨 우리가 지구 표면을 계속 걸어 다닐 수 있게 하는 것 외에도, 공기를 끌어당겨 지표면 근처에 머물게 합니다. 지구의 중력이 클수록 더 많은 공기가 끌어당겨지고, 반대로 지구의 중력이 작을수록 더 적은 공기가 끌어당겨집니다. 해수면 근처에서는 지구의 중력이 더 크기 때문에 해수면 근처에는 더 많은 공기가 있습니다. 반대로 산 정상에서는 지구의 중력이 더 작기 때문에 산 정상에는 더 적은 공기가 있습니다.
공기는 일정한 속도로 끊임없이 움직이는 기체 분자로 구성되어 있습니다. 움직이는 각 기체 분자는 운동 에너지를 가지고 있습니다. 공기의 양이 많을수록 운동 에너지는 커집니다. 공기 분자가 더 빠르게 움직일수록 운동 에너지도 커집니다. 산 정상에는 공기가 적기 때문에 운동 에너지가 낮습니다. 반대로 해수면 근처에는 공기가 많기 때문에 운동 에너지가 높습니다.
손을 부딪쳐 보세요. 어떤 느낌이 드나요? 손이 부딪힐 때 따뜻해지는 것을 느낄 수 있습니다. 손이 움직일 때 운동 에너지가 발생하는데, 이 운동 에너지의 크기는 손의 속도와 질량에 따라 달라집니다. 손이 부딪히기 전에 더 빠르게 움직일수록, 부딪힌 후 손이 더 따뜻해집니다. 따라서 운동 에너지의 크기가 얼마나 뜨겁거나 차갑게 느껴지는지를 결정합니다. 기체 분자도 마찬가지입니다. 기체 분자는 질량을 가지고 있으며, 특정 속도로 움직일 때 운동 에너지를 갖습니다. 운동 에너지의 크기는 기체 분자가 충돌할 때 발생하는 열의 양을 결정합니다.
산 정상의 공기는 운동 에너지가 적기 때문에 기체 분자들이 충돌할 때 발생하는 열도 최소화됩니다. 반대로 해수면 근처의 공기는 운동 에너지가 크기 때문에 기체 분자들이 충돌할 때 발생하는 열도 더 큽니다. 또한 기체 분자의 수가 적으면 충돌할 확률도 낮아지고, 기체 분자의 수가 많으면 충돌할 확률이 높아집니다. 분자 간 충돌 횟수는 발생하는 열의 양을 결정하는 요인이기도 합니다.
