5-1. 수증기, 구름 형성 및 강수 현상(전편)

상상해 보세요! 하늘이 너무 맑아서 위험 요소가 하나도 없는 그런 비행을 한다면 얼마나 쉬울지. 그러나 비행은 항상 쉽지 않습니다. 대기의 수분은 여러 다양하고 위험한 기상 요소를 만들어 냅니다. 대기의 수분은 얼어붙은 고체 상태, 액체 및 기체 상태를 만듭니다.
수증기
물은 공기 중으로 증발하여 항상 존재하지만 가변적인 구성 요소가 됩니다. 산소와 다른 가스가 보이지 않는 것처럼 수증기도 보이지 않습니다. 그러나 우리는 쉽게 수증기를 측정하고 다양한 방법으로 표현할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 용어는 상대 습도 및 이슬점입니다.
상대 습도 
상대 습도는 일반적으로 다음과 같이 표현합니다. 용어에서 알 수 있듯이 상대 습도는 "상대적"입니다. 실제 존재하는 수증기와 존재할 수 있는 수증기와의 관련이 있습니다. 온도는 공기가 보유할 수 있는 최대 수증기량을 크게 결정합니다. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 더 많은 수증기를 보유할 수 있습니다. 실제로 상대 습도는 포화도를 나타냅니다. 상대 습도가 100%인 공기는 포화 상태입니다. 100% 미만은 불포화 상태입니다.
주어진 부피의 공기가 특정 온도로 냉각되면, 실제 존재하는 것보다 더 많은 수증기를 보유할 수 없습니다. 이는 상대 습도가 100%가 되고 포화 상태로 됩니다.
이 냉각되는 온도를 무엇이라 할까요?
이슬점
이슬점은 일반적으로 이미 공기 중에 존재하는 수증기가 냉각되어 포화 상태를 만들 수 있는 온도를 뜻합니다. 항공 기상 보고서들은 일반적으로 공기의 온도와 이슬점 온도를 포함하고 있습니다. 공기 온도와 관련된 이슬점은 포화 상태와 얼마나 가까운지를 알려줍니다.
온도 - 이슬점 간격 (Spread)
기온과 이슬점의 온도가 다를 때 "간격"이라 부릅니다. 간격이 작아지면, 상대 습도가 증가하고 100% 포화 상태가 되면 온도와 이슬점은 같게 됩니다. 지표면의 온도 - 이슬점 간격은 안개를 예측하는 점에 있어서 매우 중요합니다. 강수 현상을 도와주기 위해서 상층의 두꺼운 층의 대기는 반드시 포화되어야 합니다.
때때로 지상에서의 간격 차이는 상당히 클 수 있지만 더 높은 고도에서의 공기가 포화하고 구름이 형성됩니다. 일부 비는 땅에 닿거나 더 건조한 공기로 떨어지면서 증발할 수 있습니다. 우리의 끝없는 날씨 사이클은 한 상태에서 다른 상태로 물이 지속해서 가역적으로 변화하는 것을 포함합니다. 상태의 변화를 자세히 알아봅시다.
상태의 변경
증발, 응결, 승화, 동결 및 융해는 상태의 변화입니다. 증발은 액체 상태의 물이 보이지 않는 수증기로 변하는 현상이고 응결은 이 과정의 역입니다. 승화는 액체를 뛰어넘어 얼음이 직접 수증기로 또는 수증기가 얼음으로 변하는 것입니다.
우리는 모두 동결 및 용융 과정에 익숙합니다.
잠열
상태의 모든 변화는 온도 변화가 없는 열 거래를 포함합니다. 증발에는 가장 가까운 사용 가능한 열원에서 나오는 열에너지가 필요합니다. 이 열에너지는 "기화 잠열"로 알려져 있으며, 열에너지를 제거하면 열이 발생하는 열원이 냉각됩니다. 땀을 증발시키면 몸이 식는 것이 이 예입니다.
증발에 의해 사용된 이 열에너지는 어떻게 사용될까요?
흡수된 열은 역 변화가 일어날 때까지 숨겨져 있거나 "잠재" 상태로 남아 있습니다.
열 교환은 온도 변화가 없더라도 물의 상태가 바뀔 때마다 발생합니다. 이러한 열교환은 온도 변화를 억제하고 불안정성을 발생시키는 데 중요한 역할을 합니다.
에너지는 생성되거나 소멸할 수 없으므로 보이지 않는 수증기에 숨겨지거나 저장됩니다. 수증기가 액체로 응축될 때 또는 얼음으로 직접 승화되면 원래 증발하여 있던 에너지가 열로 다시 나타나 대기로 방출됩니다. 이 에너지는 "잠열"이며, 나중 주제에서 매우 중요합니다. 용융 및 동결은 유사한 방식으로 "융해 잠열" 교환을 포함합니다. 융해 잠열은 응축 및 증발 잠열보다 훨씬 적습니다. 그러나 각각의 자체 방식은 항공 날씨에서 중요한 역할을 합니다. 공기가 포화하면 수증기가 가장 가까운 이용 가능한 표면에 응축되기 시작합니다. 수증기가 응결할 수 있는 대기의 표면은 무엇일까요?
응결핵
대기는 결코 아주 깨끗하지 않습니다. 염분, 먼지, 연소 부산물 등의 입자들은 응축 핵입니다. 일부 응축 핵은 물과 친화력이 있어 공기가 거의 포화되지 않은 경우에도 응축 또는 승화를 유발할 수 있습니다.
수증기가 응축 핵에서 응축되거나 승화되면서 액체 또는 얼음 입자가 성장하기 시작합니다. 입자가 액체인지 얼음인지는 전적으로 온도에 의존하지 않습니다. 액체 상태의 물은 영하의 온도에서 존재할 수 있습니다.
SUPERCOOLED WATER
결빙은 복잡하고 액체 물방울은 종종 섭씨 0도보다 낮은 온도에서 응축되거나 지속됩니다. 섭씨 0도보다 차가운 물방울은 과냉각됩니다. 노출된 물체에 부딪히면 충격으로 인해 동결됩니다. SUPERCOOLED WATER의 충격 결빙은 항공기 결빙을 초래할 수 있습니다. 과냉각된 물방울은 0도에서 -15도 사이의 온도의 구름에서 자주 발생하며 더 낮은 온도에서는 양이 감소합니다. 일반적으로 -15도보다 낮은 온도에서는 승화가 만연합니다. 구름과 안개는 대부분 과냉각된 물의 양이 적은 얼음 결정일 수 있습니다. 그러나 강한 수직 조류는 과냉각된 물을 온도가 훨씬 더 낮은 높은 고도까지 운반할 수 있습니다. SUPERCOOLED WATER는 -40보다 낮은 온도에서 관측된 적도 있습니다.

(계속)