대기 중의 물 현상 (구름과 안개)

대기 중의 물 현상(hydrometeor)은 대기 중에 존재하는 수증기가 응결 또는 증착 과정을 거쳐 액체나 고체의 입자로 변환된 후, 대기 중에 떠 있는 현상, 지상으로 낙하하는 현상, 지상풍에 의해 날리는 현상 및 지상의 물체에 부착된 현상을 말한다. 대표적인 현상에는 구름과 안개 및 강수가 있다.

2.7.1 구름
구름은 수증기가 응결된 작은 물방울이나 얼음 알갱이 또는 이 두 가지의 혼합물이 지상의 대기 중에 떠 있어 눈으로 인지할 수 있는 자연 현상이다. 대부분의 구름은 대류권에 존재하지만, 진주 운과 야광운 및 권운 등은 가끔 성층권 또는 그 이상의 고도에 나타난다. 구름은 주로 저기압과 전선에 관련된 대기의 수직운동의 결과로 형성된다. 구름 입자는 보통 0℃ 이하에서 과냉각 수적으로 존재하는데, 층운의 경우에는 -10℃ 그리고 대류운의 경우에는 -25℃ 정도로 과냉각된다. -40℃ 정도의 구름은 대부분 빙정으로 구성되어 있다.
구름이 형성되기 위해서는 수증기, 구름 응결핵 및 기온 냉각의 3가지 조건이 구비되어야 한다. 구름 응결핵(CCN)과 빙정핵(IN) 역할을 하는 에어로졸은 지표면에서 날린 토양의 분진, 해상의 물보라에 의한 바닷소금, 화산재에서 기인한 부유물질 및 인위적으로 발생한 오염 입자 등이다. 또한 광이온화와 같은 광화학적 작용에 의해 이온화된 입자가 구름 응결핵 역할을 수행하기도 한다. 전형적인 구름 응결핵의 크기가 0.2μm인데 반해, 구름 물방울의 크기는 0.01mm이고 빗방울의 크기는 2mm 정도이다. 기온이 냉각되는 과정은 직접 냉각 이외에, 전선 등의 영향으로 기단이 상승하는 경우와 부력 또는 지형의 영향으로 바람이 상승하는 경우에 발생한다.
구름의 기본형은 권운 (卷雲, Cirrus), 층운(層雲, Stratus), 적운(積雲, Cumulus) 및 난운(亂雲, Nimbus)이다. 또한 구름은 운 저고도의 범위에 따라 상층운으로 햇무리나 달무리를 나타내는 것이 특징이다. 중층운에 속하는 고층운은 난층운의 운 저고도까지 아래로 발달할 가능성이 있다. 난층운은 발달하여 다른 고도로 확장이 가능하지만, 종관 목적에 의해 중층운으로 고려한다. 수직 발달운으로 하층운에 속하는 적운과 적란운의 키는 대류권 계면의 정상까지 도달하는 경우가 있다. 일반적으로 구름의 상한은 대류권 계면까지이다. 대류권 내에서는 구름의 기온이 주위의 기온보다 높기 때문에 상승할 수 있지만, 대류권 계면보다 높은 성층권에서는 주위의 기온이 높기 때문에 상승할 수 있지만, 대류권 계면보다 높은 성층권에서는 주위의 기온이 높기 때문에 구름의 상승은 제한받게 된다. 

2.7.2 안개
안개가 형성되는 기본원리는 기온이 노점온도 이하로 떨어져 대기 중의 수증기가 응결되는 구름 현상과 동일하다. 그러나 안개는 지표면 가까이 자리 잡고 있는 층운의 구름층으로 정의할 수 있지만, 구름은 수평 시정을 기준으로 높은 고도에 자리 잡고 있다. 안개의 발생 메커니즘은 수증기의 증발 과정과 기온의 냉각과정으로 대분할 수 있다. 수증기의 증발 과정은 호수와 같은 물의 표면이나 빗방울에서 발생할 수 있다. 기온에 비해 물의 표면이나 빗방울의 온도가 낮으면 공기가 포화하기 이전에 물의 표면이나 빗방울에서 증발이 멈추기 때문에 안개는 생성되지 않는다. 그러나 기온에 비해 물의 표면이나 빗방울의 온도가 높으면, 공기가 포화상태에 도달한 이후에도 물의 표면이나 빗방울에서 증발이 계속되기 때문에, 과포화된 공기 중의 수증기가 응결되어 안개가 발생하게 된다. 반면에 기온의 냉각과정은 증발 과정에 의한 수증기의 공급이 없이 기온이 노점온도 이하로 떨어져 안개가 발생하는 메커니즘이다. 수증기의 증발에 의한 안개에는 증기 무와 전선무가 있고, 기온의 냉각에 의한 안개에는 복사무, 이류무 및 활승무가 있다.

가. 증기무
증기무(steam fog)는 따뜻한 수면 위에 찬 공기가 흐를 때 발생한다. 따뜻한 물에서 증발한 수증기가 수면 위 찬 공기와 접촉하면 냉각되고 응결한다. 증기무는 물과 공기의 온도 차가 적으면 바람이 약해야 발생하지만, 온도 차가 아주 크면 바람이 세게 불어도 형성된다. 늦가을에 호수나 강에서 잘 발생하며, 온천이나 목욕탕에서 생기는 증기도 같은 원리이다.

나. 전선무
전선무(frontal fog)는 전선 부근에서 발생하는 안개이다. 전선무에는 온난 전선무(warm front fog, pre-frontal fog), 한냉전선무(cold front fog, post-frontal fog) 및 전선통과무(front-passage fog)가 있다. 지상의 온난전선이 접근하기 이전에 따뜻한 기단은 찬 기단 위에 위치하는데, 전선면 위의 따뜻한 빗방울이 찬 기단으로 떨어질 때 증발한 수증기가 응결되면서 형성되는 안개가 온난전선무이다. 기압 경도와 바람이 약할 때는 농무가 형성되기도 하며, 기온이 상승해도 안개가 지속되는 이유는 강수로 인해 충분한 수증기가 공급되기 때문이다. 습한 지면 위를 이동하는 한랭전선 후면에서 찬바람은 수직적으로 하강하고 수평적으로 발산하게 되는데, 이러한 영향으로 기온 역전층이 형성되는 동시에 강수의 효과로 형성되는 안개가 한냉전선무이다. 전선통과무는 전선이 통과하는 동안에 운저고도가 낮아지면서 매우 습한 상황에서는 안개를 말한다.

다. 복사무
복사무(radiation fog)는 야간에 지표면이 장파 복사를 방출하면서 냉각되면 지표면에 접해있는 저층의 공기도 냉각되는데, 이때 노점온도 이하로 떨어지면서 형성되는 안개를 말한다. 날씨가 맑고 바람이 약한 가을과 겨울에 잘 발생한다. 지무 또는 땅 안개(ground fod)는 여름철 식물이 영향으로 대기의 습도가 높고 야간 복사를 위한 밤 시간이 비교적 긴 초가을에 흔히 나타나는 안개로, 안개의 층이 얇기 때문에 일출 후 쉽게 소멸한다. 높은 역전무(high inversion fog)는 겨울철 고기압이 장기간 있을 때 복사냉각에 의해 형성되는 안개이다. 꽤 두꺼운 기온 역전층이 지표면과 접해 있거나 상공에 있을 때 발생하고 안개가 수일 동안 지속되기도 한다. 이류 복사무(advection radiation fog)는 육상으로 불어온 온난하고 다습한 바닷바람이 야간의 복사냉각에 의해 발생하는 안개이다.

라. 이류무
이류무(advection fog)는 따뜻하고 습한 바람이 상대적으로 찬 지면 위로 이동할 때 노점온도 이하로 냉각되어 형성되는 안개이다. 해무(sea fog)의 대부분이 이류무로, 수평 및 수직 범위가 넓고 오래 지속되는 경향이 있다. 해무는 찬 해면 위에 상대적으로 따뜻한 바람이 불 때 형성되는 안개를 말한다. 연안무(land and sea breeze fog)는 해무와 유사하지만 발생과정은 다르다. 해상에 형성된 안개는 보통 육지가 가열된 오후에 해풍에 의해 내륙으로 이동하게 되는데, 이를 말한다. 열대기단무(tropical air fog)는 주로 겨울철 열대 해상에 고기압이 자리 잡고 있을 때, 따뜻한 바람이 고위도의 상대적으로 찬 해면이나 내륙에 진출하는 경우에 강한 기온 역전이 형성되면서 발생하는 안개이다.

마. 활승무
활승무(up-slope fog)는 수분이 많은 공기가 경사면을 타고 올라가면서 팽창할 때 노점온도 이하로 냉각되어 형성되는 안개이다. 활승무는 평지에서 거의 발생하지 않고 대부분 산 중턱에 걸려있기 때문에 지상에서 층운으로 관측되는 경우가 많다. 산안개(mountain fog)의 대부분이 활승무이며 강풍에도 형성될 수 있다.