얼마전, 어떤 학부모가 물어봤다.

"6세인 아들이 저에게 중력에 대해서 배우더니 낙엽이랑 돌이랑 장난감은 떨어지는데 구름은 왜 안떨어지냐고 물어보네요."

음. 6세인 아들이 중력을 배웠다...

난 6살때 뭐했더라, 약 1분간 내가 20년전에 무슨짓을 하고 있었는지 떠올리려다가 실패하고 대답을 하려다가 보니 나도 잘 모르겠더라. 그래서 같은 사무실에서 일하는 연구원 분들 중에서 기상학을 전공한 분을 찾아서 물어봤다. 그분의 대답은 다음과 같다.

"가볍기 때문인데요"
"네?"
"진짜로"
전공하신 분이 그렇다는데 어쩌겠는가.
그래서, 모 대학 기상학 연구실에서 공부하고 있는 친구에게 물어봤다.
"가볍기 때문이야"
"정말?"
"진짜로"

흥미로운 대답이다. 왜 가벼울까? 그 이유를 친구에게 캐물었다.
그 친구의 설명을 참고하여 이유를 설명하자면 다음과 같다.

물 분자는 수소원자 2개에 산소원자 1개로 되어 있다. 그리고 다들 알다시피 공기의 주성분은 질소 분자와 산소 분자이다. 그런데 질소 분자와 산소 분자는 2원자 분자이다. 그럼, 수소 원자의 원자량은 1, 질소 원자의 원자량은 14, 산소 원자의 원자량은 16이다. 그럼, 분자량을 잘 살펴보자.

$N_2(78.084%) = 14+14=28$
$O_2(20.946%) = 16+16=32$
$Ar(0.9340%) = 18$
$CO_2(365 ppmv) = 12 + 16 + 16 = 48$
$H_2 O(~1%) = 16+1+1=18$
위의 순서는 위키피디아의 "지구 대기권" 항목을 참고하였다. ppmv는 Parts Per Million by Volume 이란 뜻이다. 부피중에서 백만분의 1이라는 뜻이고, 365ppmv는 백만분의 365니까 0.0365%라는 뜻이다.

그리고 굳이 이런 산수를 넣은 이유는, 없다.

어쨌든 놀랍게도 물 분자의 분자량이 훨씬 작다. 아보가드로의 법칙에 따르면 같은 온도, 같은 압력일 때 같은 부피 안에는 같은 수의 분자가 들어가게 된다. 이런 상황에서 습도가 높아진다면 다른 무거운 기체들이 설 자리가 없어진다. 따라서 상대적으로 가벼운 물 분자가 차지하는 비율이 높아지면서 습도가 높은 공기는 가벼워지는 것이다.

추가: 구름이 하늘에 떠 있는 이유에 대한 유재준 교수님의 글.

http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=20&contents_id=95322


by snowall 2008.02.26 22:35
  • 이레오 2008.02.29 10:04 신고 ADDR EDIT/DEL REPLY

    저기 맨 위에 아이가 저런걸 알면 조금 웃길듯

  • 이상한데 2008.05.14 13:37 ADDR EDIT/DEL REPLY

    구름이 습도가 높은 공기고, 습도가 높으면 가벼우니 구름이 떠 있다고 생각하는건 이상한데요.

    일단, 구름이 습도가 높은 공기냐 하는 것이 틀린 거 같은데요. 구름은 물이지, 수증기가 아니구요.
    수증기는 공기안에 포함된 H20.

    따라서 맨처음이 틀렸으니, 다 틀린거 같구요.

    암튼, 머 그렇구요.

    님의 주장대로 이야기를 풀어가려면, 온도가 꼭 필요한데요.
    왜냐하면, 공기가 머금을수 있는 H20는 온도와 밀접한 관계를 맺기 때문인데요.

    일반적으로 구름이 어떻게 만들어지는지는 알고 계실꺼고,
    물리를 통해서 구름이 위에 떠있는 것을 생각해 보신듯 한데,,, 흠.... 이런 논리로는 안될거 같은데.

    안개를 설명할 수가 없잖아요?

    제 생각엔 그냥 교과서에 나온 것이 정답인거 같은데. 위로 올라가면 온도가 내려가고 어쩌고 저쩌고

    • snowall 2008.05.15 08:17 신고 EDIT/DEL

      음, 기상학 전공하는 친구에게 물어보고 답변해 보도록 하지요.
      일단 위의 대답은 6세인 아들에게 해주기 위한 답변임을 참고하시기 바랍니다.

  • mars 2008.05.18 15:21 ADDR EDIT/DEL REPLY

    교과서에 어떻게 나왔는지 모르겠지만..(어쩌고 저쩌고란 것이 도대체 뭘까- )
    설명한 것이 좀 부족한 감이 있네요.

    음.. 구름이란 것이 처음부터 생겨서 하늘로 올라간 것은 아닙니다.
    가볍다는 것은 구름이 만들어질 재료들(?)이 올라갈 수 있는 것이겠죠.
    같은 온도의 공기덩어리를 본다면, 수증기가 많은 쪽이 더 가벼우니까 상승운동을 하게된다는 것이 될 것입니다.

    일반적으로 구름은 '상승기류'가 있을 때 만들어집니다.
    상승하면 낮은 기압에 단열 팽창을 하게 되고, 온도는 낮아져서 수증기는 포화에 이르게 되죠.
    하지만 포화가 된다고 순수한 수증기가 액화되는 일은 실제 자연속에서 절대 없습니다.
    구름입자의 핵(특히 친수성의)이 있으면 그곳에 수증기 입자들이 응고하여 붙으면서 급속도로 구름입자가 성장을 하게 되는 것입니다.
    하지만 아무리 크게 성장한다고 해도 우리가 일반적으로 '구름'으로 보는 입자들은 땅으로 떨어지는 비보다- 정확하지 않지만.. 아마도 1/100정도의 크기일 겁니다. 부피로 본다면 1/(100)^3 이 되겠군요..
    즉, 매우 작은 질량의 입자라 그것이 받는 중력은 상승기류보다 작은 것입니다.
    그래서 하늘에 떠 있는 효과로 볼 수 있게 되는 것이겠죠...
    주변의 여건과 균형을 이루고 있는 셈으로 볼 수도 있을 것입니다.

    상대적으로 습한 공기는 주변의 건조한 공기보다 가벼워서 상승운동이 더 쉬워집니다.
    뜨거운 공기 역시 마찬가지며, 뜨거울수록 포함할 수 있는 수증기량은 증가하게 되겠죠.
    상승하면서 팽창운동을 하게 되고, 온도는 하강합니다.
    포화 수증기압에 이르렀을 때, 구름응결핵이 존재하여 응결이 시작하면, 순식간에 과포화된 수증기들은 응결하게 됩니다. 그러나 응결된 입자들은 여전히 너무 작은 크기로 중력이 상승기류보다 작거나 비슷한 크기를 갖게 되므로 구름입자는 떨어질래야 떨어질 수 없는 애매모호한 상황에 놓여버리는 것입니다.
    떨어지려면... 중력이 더 커지도록, 자신의 몸집을 키우는 수밖에 없겠네요..

    교과서는 어떻게 나왔을까? 궁금하네요~

    • snowall 2008.05.17 00:39 신고 EDIT/DEL

      직접 답변을 달아주다니, 영광이군.

  • 모든 것의 시작 2008.05.26 13:17 신고 ADDR EDIT/DEL REPLY

    이상한데~ 입니다~
    이제서야 답변을 봅니다~

    답변 고맙구요~

    교과서에 나온건, http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B5%AC%EB%A6%84
    이구요. 저는 중딩때 저렇게 배운 기억이 나네용. 암튼 이게 중요한게 아니구용~

    설명한 것이 부족한 것이 아니라, 제가 질문을 한거구요. ^^ 이해가 안가니까요.

    제가 질문을 드린것은,
    구름이 습도가 높은 공기냐 하는 거에요. 아닌거죠.
    구름은 물방울들이 모인거죠.

    따라서 가정이 틀렸다는 질문을 한거고, 물어본거에용~

    흠.....혹시 제가 글쓴이의 글을 잘 못 이해한 건가요?
    저는 이렇게 이해했는뎅....

    마지막에 글쓴이는,
    <따라서 상대적으로 가벼운 물 분자가 차지하는 비율이 높아지면서 습도가 높은 공기는 가벼워지는 것이다.> 썼는데요.

    저는 이렇게 이해했어요. 습도가 높은 공기는 올라간다. 가벼우니까. 구름은 습도가 높은 공기다. 고로 구름은 떠있다. 왜! 가벼우니까!

    이렇게 이해했는데용~ 아닌가봐용~ ^^

    그리고 위의 6살 꼬마에게 대답하는 것에 대해서 물어본 것은 아니구용~

    습도가 높은 공기는 가벼운 것은 맞는데, 습도가 높은 공기가 구름이냐 하는 것이 제 질문이었던 거에용.

    암튼 친구분 답변 잘 봤습니다~ ^^

    • snowall 2008.05.30 01:23 신고 EDIT/DEL

      그렇다면, 구름 안쪽은 습도가 낮을까요?

  • goldenbug 2008.06.24 22:59 신고 ADDR EDIT/DEL REPLY

    재미있는 문제네요. ^^
    구름입자(물방울)가 떨어지지 않는 것은 점성저항 때문이고, 너무 작기 때문에 떨어지긴 하는데 그 시간이 오래 걸리기 때문일 뿐입니다. 구름 속에서 뭉쳐 크기가 커지면 당연히 더 빨리 떨어져 비가 되겠죠.

    가볍기 때문에 구름이 안 떨어진다는 이야기는 뭔가 자다가 남의 다리 긁는듯이 답변하는 것이라고 생각되네요. 기상학의 교과서가 그렇게 되어 있다면 이것도 문제가 좀 될듯 하구요. ㅎ
    snowall님 안 그런가요?

    • snowall 2008.06.24 23:38 신고 EDIT/DEL

      저항의 효과가 크게 나타나는 이유는 질량이 작기 때문에 종단속도가 작아서 그런 것이라고 봅니다. 따라서 가볍다는 답이 아주 틀린 답은 아닌 것 같은데요.

    • goldenbug 2008.06.25 01:05 신고 EDIT/DEL

      그건 그렇습니다만, 설명에 보면 "분자량이 작아서.... 기체분자 운동론에 의해서 가볍다"라고 설명하는 것은 억지라는 생각이 듭니다.
      엄연히 다른 이야기인걸요.

    • snowall 2008.06.25 07:56 신고 EDIT/DEL

      다시 읽어보니 가벼워서 떠 있다는 말은 오류가 있겠네요.
      하지만 가벼운 것 자체는 사실입니다. :)

  • 박윤아 2012.08.07 21:48 ADDR EDIT/DEL REPLY

    넘 시어여!!!구를은 물방울이나 얼음입자덩어이는 1mm의 1/100밖에 되지않아서 가볍기 때문이져.상식이에여 상식!!!

    • snowall 2012.08.07 22:09 신고 EDIT/DEL

      네. 맞아요.
      물론 상식입니다. ^^