수십 톤짜리 구름이 하늘에 떠 있는 이유는? & 구름색이 날마다 다른 이유는?

청명한 가을이 찾아왔습니다. 맑은 하늘과 멋진 구름이 인상적인 계절입니다. 높게 떠 있는 구름을 보면 마음마저 상쾌해지는 기분이 듭니다.
여러분은 구름이 어째서 하늘에 떠 있는지 궁금증을 느껴본 적이 있나요? 그저 가벼우니 떠 있다고 생각하지 않았나요? 오늘은 구름이 하늘에 떠 있는 이유를 과학자의 시선으로 자세히 알아보겠습니다.

(* 아래 모든 글은 <기상 구조 교과서>에서 발췌했습니다.)

구름이 지상으로 떨어지지 않는 이유는?

우리는 쾌청한 하늘에 둥실 떠 있는 구름을 친밀하게 ‘뭉게구름’이라고 부릅니다. 정식 명칭은 적운(積雲)이며 아래에서 위로 쌓이며 발달하기 때문에 붙여진 이름입니다. 여름철에는 적운이 크게 발달하는 모습을 자주 볼 수 있습니다. ‘소나기구름’이라고도 하며 정식 명칭은 웅대적운(雄大積雲)입니다. 웅대적운이 더욱더 발달하면 천둥을 동반한 비를 내리는 구름인 적란운(積亂雲)이 됩니다.(그림 1-1)
모든 구름은 작은 물방울이나 얼음 입자의 집합체입니다. 앞으로 이들을 ‘구름 입자’라고 부르겠습니다. 적운은 언뜻 가벼워 보이지만 실은 그렇지 않습니다. 보통 구름 한 점을 구성하는 구름 입자의 총량은 수십 톤이나 됩니다. 이렇게 큰 질량을 가진 구름이 왜 지상으로 떨어지지 않을까요?

구름 입자는 계속해서 낙하한다

구름 입자 하나의 크기는 대개 반경 0.01mm입니다. 작지만 질량이 있기 때문에 지구 중력이 작용합니다. 따라서 구름 입자도 낙하합니다. 17세기 과학자 뉴턴(Isaac Newton, 1642년~1727년)은 낙하하는 물체의 속도가 1초당 9.8m씩 증가한다는 사실을 밝혔습니다. 즉 낙하 시작부터 1초 후 속도는 초속 9.8m, 2초 후 속도는 초속 19.6m, 3초 후 속도는 초속 29.4m가 되는 것입니다. 이는 물체의 중량이 무겁든지 가볍든지 상관없이 똑같습니다.
뉴턴이 태어나기 직전에 세상을 떠난 갈릴레오(Galileo Galilei, 1564년~1642년)도 이런 사실을 알고 피사의 탑에서 철과 나무로 만든 공을 동시에 떨어트리는 실험을 했다는 이야기는 많이 알려져 있습니다.
다만 이런 가속도는 공기 저항을 무시했을 때나 가능한 일입니다. 일상생활에서 공기 저항을 무시할 수는 없으며, 되레 물체가 운동하는 속도에 비례하여 공기 저항이 커지는 성질이 있습니다. 그리고 특정 속도에 도달한 물체는 속도가 일정해지는데, 이는 물체에 작용하는 중력과 공기 저항이 균형을 이루었기 때문입니다.(그림 1-3)

여기서 ‘속도가 일정’해지는 사례로 구름 입자보다 큰 반경 1mm인 ‘비 입자’의 낙하 속도를 생각해봅시다. 공기 저항이 없다면 상공 1,000m에서 낙하하는 비 입자의 속도는 초속 140m나 됩니다. 이는 공기총에서 발사한 탄환 속도와 맞먹습니다. 그러나 실제 비 입자는 초속 6~7m에 도달하면 공기 저항과 중력 크기가 동일해져 더는 속도가 증가하지 않습니다. 이렇게 일정해진 속도를 ‘종단 속도’(終端速度)라고 합니다.
공기 저항을 결정하는 요인은 낙하 속도뿐만이 아닙니다. 공기 저항은 물체의 표면에서도 발생하므로 표면적이 크면 클수록 커집니다. 둥글게 똘똘 뭉친 티슈보다 넓게 펼친 티슈가 받는 공기 저항이 더 크다는 사실을 떠올리면, 무슨 의미인지 알기 쉬울 것입니다. 그러나 둥글게 뭉쳤다고 해서 ‘물체 크기가 작을수록 저항이 작다’고 생각하면 잘못입니다. 문제는 전체 표면적입니다.
이해를 돕기 위해 비 입자를 입방체로 가정하고 절반으로 잘라보았습니다.(그림 1-4) 단면적이 새로 생기기 때문에 표면적이 늘어납니다. 잘게 자를수록 새로운 단면이 생겨서 표면적은 더 늘어납니다. 입자를 나누는 것은 둥글게 뭉친 종이를 펴서 표면적을 키우는 것과 동일합니다. 입자를 잘게 나눌수록 공기 저항은 커집니다.

다음으로 비 입자보다 훨씬 작은 구름 입자의 낙하 속도를 살펴봅시다. 표 1-1은 다양한 반경을 가진 물방울의 종단 속도입니다. 반경 1mm 빗방울의 종단 속도는 초속 6.5m이지만 반경 0.01mm인 구름 입자는 초속 0.01m입니다. 반경이 100분의 1일 때 종단 속도는 650분의 1로 급격하게 감소합니다. 즉 구름 입자도 낙하하지만 종단 속도가 겨우 초속 1cm이기 때문에 1m 낙하하는 데 1분 이상이 걸립니다. 낙하하더라도 멀리서 보면 쉽게 알아차릴 수 없는 것입니다. 정리하면 수십 톤이나 되는 구름이 떨어지지 않는 이유 중 하나는 미세한 구름 입자의 표면적이 너무 커서 낙하를 알아차릴 수 없을 정도로 종단 속도가 느려지기 때문입니다.
어쨌든 구름은 느리긴 해도 수 시간에 걸쳐 100m나 200m를 낙하하는 셈입니다. 사실 적운 전체가 낙하하는 것도 아닙니다. 그럼 구름이 공중에서 떨어지지 않는 또 다른 이유를 설명하겠습니다.

적운은 상승하는 공기 속에서 만들어진다

적운은 대부분 지상 부근에서 거품처럼 피어오르는 공기 덩어리에서 발생합니다. 그림 1-5처럼 지표면의 한 부분이 강한 태양 광선에 노출되면, 그 부분에 있던 공기 덩어리의 온도가 주위 공기보다 올라가면서 가벼워진 공기가 상승합니다. 이렇게 거품처럼 떠오른 공기를 서멀(thermal)이라고 합니다. 서멀은 눈에 보이지 않지만 대기 중에서 빈번히 발생합니다. 서멀이 발생하고 어떤 필요조건을 갖추면 구름 입자가 생겨서 적운으로 발달합니다.
이런 공기의 흐름을 상승 기류라고 합니다. 작은 구름 입자 하나하나가 상승 기류를 타기 때문에 구름 전체가 떠 있는 것입니다. 초속 1cm 정도의 상승 기류만 있어도 구름 입자를 지탱할 수 있습니다. 이렇듯 상승 기류는 구름이 지상으로 떨어지지 않는 이유입니다.