뿌리학습 · 중학 과학탐구
구름·강수와 일기도 해석
날씨를 이해하려면 공기 속 수증기가 어떻게 물이 되는지부터 알아야 한다.
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개념 정리
공기는 수증기를 품을 수 있는데, 품을 수 있는 최대량은 온도에 따라 달라진다. 따뜻한 공기일수록 더 많이 품을 수 있다. 여기서 상대습도라는 개념이 나온다. 상대습도는 그 온도에서 최대로 품을 수 있는 양에 대해 실제로 품고 있는 양이 몇 퍼센트인지를 나타낸다. 식으로 쓰면 상대습도(%)는 현재 수증기량을 그 온도의 포화 수증기량으로 나눈 뒤 100을 곱한 값이다.
이 정의가 중요한 이유가 있다. 공기 중 수증기의 양이 전혀 변하지 않아도 온도가 내려가면 상대습도는 올라간다. 품을 수 있는 최대량이 줄어들기 때문이다. 습도가 높다는 말이 곧 수증기가 많다는 뜻은 아니다.
온도를 계속 낮추면 어느 지점에서 상대습도가 100퍼센트가 되고, 더 낮추면 품고 있던 수증기가 물방울로 맺히기 시작한다. 이때의 온도를 이슬점이라고 한다. 이슬점은 정해진 값이 아니라 그 공기가 품고 있는 수증기량에 따라 달라진다. 수증기가 많을수록 이슬점이 높다.
이제 구름이 어떻게 생기는지 보자. 공기 덩어리가 위로 올라가면 주변의 기압이 낮아지므로 공기가 부풀어 오른다. 그런데 부피가 커지면 온도가 내려간다. 이렇게 주변과 열을 주고받지 않은 채 부피가 커지면서 온도가 내려가는 것을 단열 팽창이라고 한다. 여기서 흔한 오해가 있다. 위쪽이 차가워서 열을 빼앗겨 식는 것이 아니다. 열을 주고받지 않고도 부피가 커지는 것만으로 온도가 내려간다.
온도가 내려가 이슬점에 이르면 수증기가 응결해 작은 물방울이나 얼음 알갱이가 만들어지고, 이것들이 모인 것이 구름이다. 여기서 하나 정확히 해 두자. 구름은 수증기가 아니다. 수증기는 눈에 보이지 않는 기체이고, 구름은 이미 물이나 얼음으로 바뀐 알갱이의 모임이다. 눈에 보인다는 것 자체가 기체가 아니라는 뜻이다.
구름이 곧바로 비가 되는 것도 아니다. 구름 속 알갱이는 매우 작아서 공기 중에 떠 있다. 이 알갱이들이 서로 부딪쳐 뭉치거나 커져서 충분히 무거워져야 비나 눈이 되어 떨어진다.
참고로 구름이 생기는 데 반드시 공기가 올라가야 하는 것은 아니다. 상승은 온도를 낮추는 대표적인 방법일 뿐이고, 지표 부근의 공기가 식어 응결하면 안개가 된다.
이제 일기도를 읽는 데 필요한 개념으로 넘어가자.
기압은 공기가 단위 면적을 누르는 압력이다. 주변보다 기압이 높은 곳을 고기압, 낮은 곳을 저기압이라고 한다. 기압 차이는 공기를 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 밀어내며, 실제 바람의 방향은 지구의 자전이나 지표와의 마찰 같은 다른 영향도 받는다.
고기압과 저기압의 날씨가 다른 이유는 공기의 움직임에 있다. 고기압에서는 공기가 위에서 아래로 내려온다. 내려오는 공기는 압축되어 온도가 올라가므로 응결이 잘 일어나지 않아 구름이 잘 생기지 않고 날씨가 맑다. 저기압에서는 사방에서 공기가 모여들어 위로 올라간다. 올라가는 공기는 식어 응결하므로 구름이 생기고 비가 오기 쉽다. 맑다와 흐리다를 외우는 것이 아니라 공기가 내려가는지 올라가는지로 판단해야 한다.
넓은 지역에 걸쳐 기온과 습도가 비슷한 성질을 가진 큰 공기 덩어리를 기단이라고 한다. 기단은 오래 머문 지역의 성질을 닮는다. 대륙에서 만들어지면 건조하고, 바다에서 만들어지면 습하다. 높은 위도에서 만들어지면 차갑고, 낮은 위도에서 만들어지면 따뜻하다.
성질이 다른 두 기단이 만나면 곧바로 섞이지 않고 경계면을 이룬다. 이 경계면을 전선면이라 하고, 전선면이 지표와 만나는 곳에 나타나는 경계를 전선이라고 한다. 전선에서는 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 밀려 올라가면서 구름이 생기고 비가 내린다.
전선은 어느 쪽 공기가 밀고 들어오는지에 따라 다르게 나타난다.
한랭 전선은 찬 공기가 따뜻한 공기 아래로 파고들며 밀어 올릴 때 만들어진다. 따뜻한 공기가 급하게 올라가므로 위로 솟은 구름이 생기고, 좁은 지역에 짧은 시간 동안 강한 비가 내린다. 전선이 지나간 뒤에는 찬 공기가 자리를 차지하므로 기온이 내려간다.
온난 전선은 따뜻한 공기가 찬 공기 위를 타고 오를 때 만들어진다. 완만하게 올라가므로 옆으로 퍼진 구름이 넓게 생기고, 넓은 지역에 오랜 시간 약한 비가 내린다. 전선이 지나간 뒤에는 따뜻한 공기가 자리를 차지하므로 기온이 올라간다.
일기도를 해석할 때는 이 세 가지를 함께 본다. 고기압과 저기압의 위치로 공기가 오르내리는 방향을 판단하고, 전선의 종류로 비의 성격과 지나간 뒤의 기온 변화를 예측한다. 다만 이는 전형적으로 나타나는 경향이며 언제나 그대로 나타나는 것은 아니다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과17-03]상대습도, 단열 팽창 및 응결 현상의 관계를 이해하고, 구름의 생성과 강수 과정을 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
습도와 응결
- 상대습도를 공기 중 수증기의 양 자체로 본다. 습도가 높으면 수증기가 많다고 생각하기 때문이다. 상대습도는 그 온도에서 공기가 최대로 품을 수 있는 양에 대해 실제로 품고 있는 양의 비율이다. 수증기량이 같아도 온도가 달라지면 상대습도가 달라진다.
- 이슬점을 온도와 무관한 고정된 값으로 본다. 이슬점이 하나의 숫자로 주어지기 때문이다. 이슬점은 그 공기가 품은 수증기량에 따라 정해진다. 수증기량이 많을수록 이슬점이 높다.
- 공기가 위로 올라가면 주변에서 열을 빼앗겨 식는다고 본다. 위쪽이 차갑기 때문이다. 올라간 공기는 주변 기압이 낮아져 부피가 커지면서 스스로 온도가 낮아지며, 이를 단열 팽창이라고 한다. 열을 주고받지 않고도 온도가 내려간다는 점이 핵심이다.
구름과 강수
- 구름을 수증기 덩어리로 본다. 수증기가 모여 구름이 된다고 배우기 때문이다. 수증기는 눈에 보이지 않는 기체다. 구름은 수증기가 응결해 만들어진 작은 물방울이나 얼음 알갱이의 모임이다.
- 구름이 무거워지면 곧바로 비가 된다고 본다. 무거우면 떨어진다고 생각하기 때문이다. 구름 속 알갱이는 너무 작아 그대로는 떨어지지 못한다. 서로 뭉치거나 커져서 충분히 무거워져야 떨어진다.
- 구름이 생기려면 공기가 올라가야만 한다고 본다. 상승 기류를 함께 배우기 때문이다. 공기가 올라가는 것은 온도를 낮추는 대표적인 방법일 뿐이고, 지표 부근에서 식어도 응결이 일어난다. 안개가 그런 예다.
기압·기단·전선과 일기도
- 고기압에서는 항상 맑고 저기압에서는 항상 비가 온다고 외운다. 결과만 짝지어 기억하기 때문이다. 이유는 공기의 움직임에 있다. 고기압에서는 공기가 내려가 구름이 잘 생기지 않고, 저기압에서는 공기가 올라가 구름이 만들어지기 쉽다.
- 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 바람이 분다는 것을 알면서도 방향을 반대로 답한다. 바람이 낮은 곳에서 온다고 착각하기 때문이다. 바람은 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 분다.
- 전선을 두 기단의 경계선 자체로만 본다. 일기도에 선으로 그려지기 때문이다. 두 기단의 경계면을 전선면이라 하고 그것이 지표와 만나는 곳이 전선이며, 전선면을 따라 공기가 밀려 올라가면서 구름과 강수가 생긴다.
- 한랭 전선과 온난 전선이 지나갈 때의 날씨 변화를 같은 것으로 본다. 둘 다 비가 온다고 기억하기 때문이다. 한랭 전선에서는 좁은 지역에 짧고 강한 비가 내리고 지나간 뒤 기온이 내려간다. 온난 전선에서는 넓은 지역에 오래 약한 비가 내리고 지나간 뒤 기온이 올라간다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
상대습도가 높으면 공기 중에 수증기가 많이 들어 있다는 뜻이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
습도가 높다고 하면 자연스럽게 수증기 자체가 많다고 느끼기 쉬워요. 그런데 상대습도는 그 온도에서 공기가 최대로 품을 수 있는 수증기의 양에 대해 실제로 품고 있는 양의 비율이에요. 실제로는 수증기량이 전혀 변하지 않아도 온도가 올라가거나 내려가면 상대습도가 달라지기 때문에, 상대습도가 높다고 해서 반드시 수증기가 많은 것은 아니에요.
이슬점은 공기 속에 포함된 수증기량에 따라 달라지며, 수증기량이 많을수록 이슬점이 높다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
이슬점이 하나의 숫자로 제시되다 보니 마치 변하지 않는 고정된 값처럼 느껴지기 쉬워요. 실제로는 이슬점이 그 공기가 품고 있는 수증기량에 따라 결정되는 값이에요. 공기 중 수증기량이 많을수록 이슬점이 높아지고, 수증기량이 적을수록 이슬점이 낮아진답니다.
공기가 위로 올라가면 주변의 차가운 공기에서 열을 빼앗겨 온도가 낮아진다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
위쪽 하늘이 차갑다는 사실을 알고 있다 보니, 올라간 공기가 차가운 주변 공기에서 열을 빼앗겨 식는다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 높이 올라갈수록 주변 기압이 낮아지기 때문에 공기 덩어리의 부피가 커지고, 이 과정에서 열을 주고받지 않고도 스스로 온도가 내려가는 단열 팽창이 일어나요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반