4. 습도, 응결 및 구름

4.1 대기 중에서 물의 순환

hydrologic-cycle.png

4.2 증발, 응결 및 포화

증발(Evaporation)

  • 물이 태양에 의해 가열되면 표면 분자들의 에너지가 분자간 인력을 끊고 탈출할 정도로 커지고 대기 중으로 보이지 않는 수증기가 되어 나간다.

증산(Transpiration)

  • 식물로부터 수증기가 방출되는 것. 활발히 성장하는 식물은 매일 자기 몸에 저장한 물의 5-10배의 물을 증산한다.

응결(Condensation)

  • 수증기가 상승하면서 냉각되면 공기중의 작은 먼지 입자 따위에 모여붙는다. 응결한 수증기는 다시 액체가 되거나 또는 액체를 거치지 않고 고체가 된다. 이 물 입자들이 모여서 구름을 형성한다.

강수(Precipitation)

  • 비, 눈, 우박이 구름으로부터 내리는 현상. 구름은 공기의 흐름에 따라 전세계를 떠돌아다니다가 산맥 위를 지날 때 냉각되어 물로 포화되고 물이 주위 공기의 온도에 따라 비, 눈, 우박의 형태로 내리게 된다.

유출(Runoff)

  • 비가 많이 오거나 눈이 많이 녹으면 골이나 도랑을 따라 물이 흘러넘친다. 유출은 이렇게 강, 계곡, 호수를 흐르는 가시적인 흐름이다.

여과(Percolation)

  • 강수의 일부가 아래로 움직이며 땅의 틈을 따라 여과 또는 침투가 일어난다. 침투하는 물은 토양과 암석을 뭉치거나 구멍을 뚫으며 지하수면까지 내려가 지하수가 된다.

지하수(Groundwater)

  • 땅 속의 물은 틈새와 구멍에 저장된다. 지질에 따라 지하수가 흐름을 이룰 수도 있으며 우물을 통해 길어질 수도 있다. 몇몇 지하수는 매우 오래되었으며 수천년 묵었을 수도 있다.

지하수면(Water table)

  • 지하수면은 얕은 우물을 팠을 때 물이 나오는 높이이다.
Waterphasechange.png

4.3 습도

절대습도(Absolute humidity)

  • 수증기의 질량 [그램] / 공기의 부피 [입방미터]

혼합비(Mixing ratio)

  • 수증기의 질량 [그램] / 건조공기의 질량 [킬로그램]

상대습도(Relative humidity; RH)

  • 수증기 함량 / 수증기 수용량
  • 실제 수증기압 / 포화 수증기압
  • 혼합비 / 포화 혼합비

수증기압과 포화

  • 포화 수증기압이란 주어진 공기가 수증기로 포화 상태를 이루기 위한 수증기의 양
  • 포화 수증기압은 오로지 기온에 의해 결정된다.
  • 포화 수증기압은 온도에 대해 지수적으로 증가한다.
saturation-vapor-pressure.png
(1)
\begin{align} {{d e_s} \over {dT}} = {L \over {T (\alpha_v - \alpha_l )}} \end{align}
(2)
\begin{align} e_s \equiv 6.11 \cdot \exp \left[ {{L} \over {R_v} } \left( {1 \over 273} - {1 \over T} \right) \right] \end{align}
  • 위 식에서 $L$은 증발 잠열, $\alpha$는 증기와 액체의 특정 부피

노점(Dew point temperature)

  • 기압 또는 수증기 함량에 변화가 없는 상태에서 포화가 형성되도록 하기 위해 도달해야 하는 기온
  • 대기 중에 수증기가 늘어나면 노점은 올라가고 수증기가 줄어들면 노점은 내려간다.
    • 한대 공기: 상대습도 100%, 노점온도 -2 ℃
    • 사막 공기: 상대습도 21%, 노점온도 10℃
    • 절대습도는 사막 > 한대

습도의 측정

  • 습도계(hygrometer)
    • 사람이나 말의 털을 사용
    • 상대습도가 증가하면 모발 길이가 늘어나고 감소하면 줄어드는 것을 이용
  • 건습계(psychrometer)
    • 건구 온도 = 현재 기온
    • 습구 온도 = 공기 중에 수증기를 발산함으로써 얻을 수 있는 최저온도
    • 건습구 온도차가 크면 수분이 공기 중으로 많이 증발할 수 있음 i.e. 상대습도가 낮음
    • 건습구 온도차가 작으면 반대로 상대습도가 높음
    • 건습구 온도차가 없으면 공기가 포화되어 있으며(상대습도 100%) 이때의 온도가 노점온도

4.4 이슬과 서리

4.5 안개

안개도 구름과 마찬가지로 냉각 / 증발과 혼합 중 하나에 의해 형성된다.

냉각에 의해 형성되는 안개

  • 복사안개(Radiation fog) — 차가운 땅 때문에 급속냉각(기온역전)하여 공기가 급속도로 포화되어 안개 형성.
  • 이류안개(Advection fog) — 따뜻하고 습윤한 공기가 차가운 지표 상공을 이동. 예컨대 바다 위 공기가 연안으로 이동해서 해무 형성
  • 활승안개(Upslope fog) — 습기를 지닌 공기가 고원, 언덕, 산맥 따위에 의해 상승하여 팽창하고 냉각하여 안개 형성

증발(혼합)안개

  • 김안개(Steam fog) — 찬 공기가 따뜻한 물 위를 이동할 때 (노천탕 따위)
  • 전선안개(frontal fog) — 따뜻한 비가 차고 습윤한 대기층을 뚫고 내릴 때 빗방울 일부가 공기 중에서 증발하여 대기를 포화시킴. 온난전선 오기 직전 또는 한랭전선 지나간 직후.

4.6 구름

구름 관련 용어

  • 운저(cloud base) — 구름의 밑바닥
  • 운고(Cloud top) — 구름의 꼭대기
  • 구름의 높이는 운저의 고도로 정의된다.
Cloud-types.png

고도에 따른 구름 분류

  • 상층운 — 6 km 상공. 빙정으로 형성.
    • 권운(cirrus)
    • 권적운(cirrocumulus)
    • 권층운(cirrostratus)
  • 중층운 — 2 - 7 km 고도. 물방울로 형성. 기온이 낮으면 일부 빙정.
    • 고적운(altocumulus)
    • 고층운(altostratus)
  • 하층운 — 고도 2 km 이하. 거의 항상 물방울로 형성.
    • 난층운(nimbostratus)
    • 층적운(stratocumulus)
    • 층운(stratus)
  • 수직운 — 꼭대기가 돔이나 탑 모양을 하고 있고 운저 높이는 지상 수백 m
    • 적운(cumulus)
    • 웅대적운
    • 적란운(cumulonimbus)

강수 과정에 따른 구름 분류

  • 온난운(Warm cloud) — 운고가 영하 고도 이하. 구름 입자가 모두 액체. 빗방울이 병합과정(coalescence process)으로 형성.
  • 한랭운(Cold cloud) — 운고가 영하 고도 이상. 구름 입자가 빙정과 물방울. 빗방울이 빙정과정 또는 베르예론 과정(Bergeron process)으로 형성.