seegongsik
고등학교 2~3학년 (16-18세)

대기의 열역학

Atmospheric Thermodynamics

공기 덩어리가 위로 올라가면 주변 기압이 낮아져 부피가 커지고, 바깥과 열을 주고받지 않아도 스스로 식는데 이것을 단열 냉각이라고 해요. 수증기가 응결하지 않는 동안에는 1 km 마다 약 10 °C 씩 식다가, 이슬점에 이르러 구름이 생기기 시작하면 응결열이 나와 1 km 에 약 5 °C 씩만 식어요. 공기 덩어리가 주변 공기보다 빨리 식는지 늦게 식는지에 따라 대기가 안정한지 불안정한지가 정해지고, 산을 넘은 공기가 내려오면서 데워지는 푄 현상도 같은 원리예요. 첫 그림에서 지표 기온을 바꾸면 구름 밑면의 높이가, 둘째 그림에서 주변의 기온감률을 바꾸면 대기의 안정도가 어떻게 달라지는지 볼 수 있어요.

산을 오르면 왜 추워질까

💡 단열 변화
①지표의 공기 덩어리가 산을 타고 올라가면 높을수록 주변 기압이 낮아진다
②눌림이 줄어든 공기 덩어리는 부피가 커지는데, 이때 자기 에너지를 써서 바깥 공기를 밀어내므로 온도가 내려간다
③바깥과 열을 주고받지 않고 부피가 바뀌면서 온도가 변하는 것을 단열 변화라고 한다
④반대로 공기 덩어리가 내려오면 압축되어 온도가 올라간다(단열 압축)

구름은 어디에서 생길까

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☁️ 구름이 생기는 과정
①공기 덩어리가 올라가면 기압이 낮아져 팽창하고 온도가 내려간다
②수증기가 응결하기 전에는 건조 단열감률, 곧 1 km 에 약 10 °C 씩 식는다
③이때 이슬점도 1 km 에 약 2 °C 씩 낮아지므로, 기온과 이슬점은 1 km 에 8 °C 씩 가까워진다
④두 값이 같아지는 높이에서 응결이 시작되어 구름 밑면이 되며, 그 높이는 약 125 × (지표 기온 − 지표 이슬점) m 이다
⑤그 위에서는 응결열이 나와 습윤 단열감률, 곧 1 km 에 약 5 °C 씩만 식는다

대기의 안정도

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25
절대 불안정
Γ환경 > Γ건조 (약 10 °C/km)
올라간 공기 덩어리가 주변보다 따뜻해 계속 올라가므로 대류가 활발하다
절대 안정
Γ환경 < Γ습윤 (약 5 °C/km)
올라간 공기 덩어리가 주변보다 차가워 다시 내려오려 하므로 대류가 억제된다
📐 안정도와 구름
①불안정한 대기에서는 공기가 계속 솟아올라 적운형 구름(뭉게구름, 적란운)이 발달하고 소나기나 뇌우가 내린다
②안정한 대기에서는 공기가 위로 잘 올라가지 않아 층운형 구름이나 안개가 생긴다
③환경 기온감률이 습윤 단열감률과 건조 단열감률 사이이면 조건부 불안정이다. 포화되지 않은 공기에는 안정하지만, 포화된 공기에는 불안정하다
④그래서 일기 예보에서는 대기의 기온감률과 습도를 함께 살펴 소나기와 뇌우가 생길지를 판단한다

푄 현상

🏔️ 산을 넘으면 덥고 건조해지는 바람
①바람받이 쪽에서 지표 기온 20 °C 공기가 산을 타고 오르면 1 km 마다 10 °C 씩 식어, 1 km 높이에서 이슬점에 이르러 구름이 생긴다(10 °C)
②그 위로는 습윤 단열감률로 식어 2 km 산꼭대기에서 5 °C 가 되고, 그동안 비를 뿌려 수증기를 잃는다
③산을 넘어 내려오는 공기는 건조하므로 2 km 를 내려오는 동안 1 km 마다 10 °C 씩 데워져 25 °C 가 된다
④그래서 산 너머에는 처음보다 5 °C 더 덥고 건조한 바람이 불며, 한반도에서는 늦봄과 초여름에 영서 지방으로 부는 높새바람이 대표적이다

예제와 기출로 점검

예제 1
포화되지 않은 공기 덩어리가 2 km 올라가면 기온은 약 몇 °C 내려가는가? (건조 단열감률 약 10 °C/km)
1
온도 변화 = 단열감률 × 올라간 높이이다.
2
10 °C/km × 2 km = 20 °C 이므로 약 20 °C 내려간다.
▸ 약 20 °C 내려간다
도중에 응결이 시작되면 그 위로는 1 km 에 약 5 °C 씩만 식는다. 첫 그림에서 지표 25 °C 공기는 1.5 km 까지 15 °C 식고, 그 위 0.5 km 동안에는 2.5 °C 만 더 식어 2 km 에서 7.5 °C 가 된다.
예제 2
주변 대기의 기온감률(환경 기온감률)이 12 °C/km 이다. 건조 단열감률이 10 °C/km 일 때, 이 대기는 포화되지 않은 공기에 대해 안정한가, 불안정한가?
1
공기 덩어리가 1 km 올라가면 10 °C 식지만, 그 높이의 주변 공기는 지표보다 12 °C 낮으므로 공기 덩어리가 주변보다 2 °C 따뜻하다.
2
주변보다 따뜻한 공기 덩어리는 가벼워 계속 올라가므로 이 대기는 불안정하고, 대류가 활발해 적운형 구름이 발달한다.
▸ 불안정(환경 기온감률 12 °C/km > 건조 단열감률 10 °C/km)
둘째 그림에서 환경 기온감률을 12 에 두면 1 km 위 공기 덩어리가 주변보다 따뜻하게 표시된다. 환경 기온감률이 클수록 대기는 불안정하다.
수능 유형
대기의 단열 변화와 안정도에 대한 설명으로 옳은 것은?
①건조 단열감률은 습윤 단열감률보다 작다
②공기가 상승하면 단열 팽창하여 온도가 내려간다
③환경 기온감률이 단열감률보다 작으면 대기는 불안정하다
④수증기가 응결할 때는 잠열을 흡수한다
⑤안정한 대기에서 적운형 구름이 잘 발달한다
▸ ② 공기가 상승하면 단열 팽창하여 온도가 내려간다
1
올라가는 공기는 주변 기압이 낮아져 팽창하고, 바깥과 열을 주고받지 않은 채 스스로 식는다(단열 냉각).
2
건조 단열감률(약 10 °C/km)은 습윤 단열감률(약 5 °C/km)보다 크고(①), 환경 기온감률이 작을수록 대기는 안정하며(③), 수증기가 응결할 때는 잠열을 내놓고(④), 적운형 구름은 불안정한 대기에서 발달한다(⑤).

정리

핵심 수치
건조 단열감률 ≈ 10 °C/km | 습윤 단열감률 ≈ 5 °C/km | 이슬점 감률 ≈ 2 °C/km
수증기가 응결하는지에 따라 식는 빠르기가 다르고, 구름 밑면의 높이는 125 × (T − Td) m 로 어림한다
🎯 시험 포인트
①건조 단열감률은 약 10 °C/km, 습윤 단열감률은 약 5 °C/km 이다
②환경 기온감률이 건조 단열감률보다 크면 절대 불안정, 습윤 단열감률보다 작으면 절대 안정이다
③환경 기온감률이 두 단열감률 사이이면 조건부 불안정이다
④상승 응결 고도(구름 밑면)는 약 125 × (지표 기온 − 지표 이슬점) m 이다
⑤불안정한 대기에서는 적운형 구름과 소나기, 안정한 대기에서는 층운형 구름과 안개가 잘 생긴다
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