구름이 하늘에 계속 뜨는 이유는 무엇일까?
하늘을 하얗게 수놓는 구름을 보며 가끔 생각에 빠지곤 한다. 햇빛을 가리기도 하고 엄청난 양의 비를 내리기도 하는 구름은 어떻게 하늘에 뜰 수 있을까?
아주 작은 물방울의 집합체, 구름
하늘에 떠 있는 구름은 아주 작은 물방울 또는 얼음 입자의 집합체이다. 보통 구름 한 조각을 구성하는 총량은 수십 톤에 이른다. 그렇다면 이렇게 무거운 구름은 어떻게 하늘에 떠 있을 수 있는 것일까?
구름은 중력의 영향을 받는다
구름을 구성하는 입자의 크기는 0.01mm으로 매우 작고 무게도 100만 개가 모여야만 1g이 될 정도로 매우 가볍다. 그렇기 때문에 끊임없이 바람에 휘날리고 기류에 따라 위 아래로 움직이며 떨어지지 않는 것이다.
하지만 구름의 입자는 질량을 가지고 있기 때문에 여지없이 지구의 중력의 영향을 받아 낙하한다. 흔히 알고 있는 중력가속도의 법칙에 따라 낙하하는 것이다. 중력가속도는 1초에 9.8m를 이동하는 가속도지만 이것은 공기저항이 없는 특수한 환경에서의 이야기이다.
일반적인 환경에서는 공기저항을 무시할 수 없고 구름을 구성하는 입자 또한 낙하하면서 공기저항을 받게 된다. 또한 낙하하는 물체의 면적이 커질수록 공기의 저항은 더욱 커지게된다. 빗방울 보다 아주 잘게 쪼개지는 크기의 입자는 표면적이 커지기 때문에 더욱 많은 공기저항을 받아 낙하속도가 현저하게 저하된다. 이렇게 중력의 영향을 받는구름 입자의 낙하속도는 공기저항과 중력의 크기가 동일해져 동일한 속도로 낙하하게 되는데 이것을 '종단속도'라고 정의한다.
일반적으로 반경 0.02mm의 일반적인 구름입자의 종단속도는 0.01m/s로 100초에 1M 낙하를 하게 된다. 때문에 종단속도가 1초에 1cm을 움직이는(0.01m/s)구름입자는 표면적이 너무도 커서 낙하 움직임을 느낄 수 없을 정도로 종단속도가 느리다.
상승기류는 구름을 멀리 올려보낸다
뭉게구름으로 부르는 적운은 강력한 태양광선에 노출된 지표면의 데워진 공기가 상승하여 발생하는 구름이다. 상승기류로 발생하는 적운을 구성하는 입자 하나하나가 상승기류를 타고 움직이기 때문에 매우 낮은 종단속도를 가진 구름은 상공에 떠 있게 되는 것이다.
