3.1. Introduction
수증기는 기체의 물 형태이고 대기의 모든 구성 요소 중 가장 중요한 것 중 하나입니다. 수증기는 지구 대기의 작은 부분을 차지하며, 부피에 따라 미량에서 4%까지 다양하고, 그 양은 시공간에 따라서 매우 다양합니다. 대략 모든 대기에 있는 수증기의 절반이 고도 2km(6,500 feet) 이하에서 발견되며, 대류권 계면 위에서는 전체의 극히 일부만이 발생합니다. 수증기는 구름과 강수(예를 들어 비 혹은 눈)를 위한 물질로서 뿐만 아니라 열에너지의 전달 수단으로써, 그리고 열적외선의 흡수 및 방출을 통한 지구 온도의 조절(즉, 온실효과, greenhouse effect)하는 물질로써도 중요합니다. 공기에 존재하는 수증기의 양은 상대 습도 및 이슬점과 같은 개념을 포함하여 다양한 방법으로 측정될 수 있습니다. 이 주제들에 대해 이야기하기 전에, 우리는 먼저 물이 어떻게 지구-대기 시스템을 통해 순환하는지 이야기해볼 것입니다.
3.2. The Hydrologic Cycle
물의 순환은 지구 대기 시스템에서 물의 지속적인 순환을 포함합니다. 수증기는 순환에서 중요한 역할을 합니다.
3.2.1. Evaporation
증발은 액체가 수증기(기체)로 변하는 과정의 단계입니다. 기상학에서 우리가 가장 우려하는 물질은 물이고, 주요 근원은 바다입니다. 평균적으로, 약 120cm(47inches)가 매년 바다에서 대기로 증발합니다. 증발이 일어나려면, 에너지가 필요합니다. 에너지는 태양, 대기, 지구, 또는 인간과 같은 지구의 물체 등 어떠한 것에서도 나올 수 있습니다.
누구나 직접 증발을 경험했을 것입니다. 공기 온도, 운동 등에 의해 몸이 더워지면서 땀을 흘릴 때, 피부에서 물이 나오는 걸 느꼈을 것입니다. 이러한 목적은 몸이 열을 이용하여 액체를 증발시켜 열을 제거하고 몸을 식히기 위한 것입니다. 추가적으로 샤워한 후 혹은 수영장에서 나올 때도 같은 효과를 볼 수 있었을 것입니다. 이때 느끼는 시원함은 피부 위의 물을 증발시켜 몸의 열을 제거함으로써 얻을 수 있는 것입니다.
3.2.2. Transpiration
증산 작용(transpiration)은 식물에서 물을 증발시키는 것입니다. 대부분의 식물에서, 증산 작용은 대기의 습도와 땅의 수분 함량에 의해 주로 제어되는 수동적인 과정입니다. 식물을 통과하는 증산된 물의 1%만이 식물의 성장 과정에 사용되며 나머지 99%는 대기로 이동됩니다.
3.2.3. Sublimation
승화는 고체가 액체 상태를 지나지 않고 수증기(기체)로 변하는 과정의 단계입니다. 대기 중에서, 물의 승화는 얼음과 눈(고체)이 수증기(기체)로 변할 때 일어납니다.
3.2.4. Condensation
응결은 수증기(기체)가 액체로 변하는 과정의 단계입니다. 대기에서, 응결은 대기의 물리적 조건에 따라 구름, 안개(fog), 박무(mist), 이슬(dew) 또는 서리(frost) 등으로 나타낼 수 있습니다.
3.2.5. Transportation
이러한 물질의 상태변화는 고체, 액체, 그리고 기체 상태의 물이 대기를 통해 이동하는 것입니다. 이 움직임이 없다면, 바다 위에서 증발한 물은 육지에 내리지 않을 것입니다.
3.2.6. Precipitation
응결된 작은 입자들이 충돌과 융합을 통해 성장하면서 강수를 만들어냅니다.
3.2.7. Runoff
땅 위를 흐르는 빗물에는 강수량이 심할 경우와 땅이 이미 흠뻑 젖어 포화 상태(즉, 물을 더 이상 흡수할 수 없을 때) 일 때 발생합니다. 이러한 흐름은 개울과 강으로 흘러가고 결국 바다로 돌아갑니다.
이 흐름으로 인한 증발은 물의 순환을 다시 시작하게 됩니다. 물의 일부는 토양과 지하수로 스며들지만, 증산 작용을 위해 식물로 다시 빨려 들어가기도 합니다.
3.2.8. Infiltration
침투는 지표면에서 땅으로 물이 이동하는 것입니다.
3.2.9. Groundwater Flow
지하수 흐름은 대수층에서의 지하수 흐름입니다. 물은 봄에 지표면으로 되돌아오거나 결국 바다로 스며들 수 있습니다.
3.2.10. Plant Uptake
식물의 흡수는 지하수의 흐름과 토양의 수분으로부터 얻은 물입니다.
- 온실효과(greenhouse effect) : 대기를 가지고 있는 행성 표면에서 나오는 복사에너지가 대기를 빠져나가기 전에 흡수되어, 그 에너지가 대기에 남아 기온이 상승하는 현상을 말합니다. 정확한 원리는, 땅이 태양빛을 흡수해서 온도가 상승한 후 그렇게 해서 데워진 공기가 확산되는 것을 대류로 날아가는 것을 막음으로써 온실 내부 온도가 상승하는 데에 있습니다. 온실효과를 일으키는 가스 (온실가스 : Greenhouse gas) 중 가장 대표적인 것이 이산화탄소입니다.
- 상대습도(Relative Humidity) : 간단히 이야기하자면 공기의 습하고 건조한 정도를 백분율로 나타낸 것을 말합니다. 일정한 부피의 공기가 최대로 품을 수 있는 포화수증기압에 비해 현재 포함되어 있는 수증기 양의 비율을 백분율(%)로 표시한 값입니다. 공기 속에 수증기가 전혀 존재하지 않는 완전 건조한 상태라면 0% 상대습도를 갖고, 포화수증기압 만큼의 수증기가 들어있다면 100% 상대습도를 갖게 된다. 음의 상대습도는 존재하지 않지만 포화수증기압을 넘는 수증기가 존재하는 과포화 상태, 즉 상대습도가 100%를 넘는 상태는 존재할 수 있습니다. 상대습도는 [상대습도(%)=(현재 수증기량/포화 수증기량)*100=(이슬점에서의 포화 수증기량/현재 기온에서의 포화 수증기량)*100]의 공식을 통해 구할 수 있습니다.
- 이슬점(dew point) : 일정한 압력 하에서 온도를 내려서 공기가 포화되는 순간의 온도를 말합니다. 대기 중에는 기체 상태의 수증기가 포함되어 있는데, 대기가 함유할 수 있는 최대의 수증기량을 포화 수증기량이라고 합니다. 대기 중에 포함된 수증기의 압력을 포화 수증기의 압력으로 나눈 것을 상대습도라고 합니다. 포화 수증기량은 온도에 따라 올라가기 때문에, 대기를 냉각시켜서 포화 수증기량이 감소하면 상대습도가 증가하게 됩니다. 상대습도가 100%가 되는 포화 상태에서는 대기 중의 수증기가 더 이상 기체 상태로 존재하지 못하고 액체인 물방울로 변하게 되는데, 이때의 온도를 이슬점이라고 합니다. 한 마디로 불포화 상태의 공기가 냉각되면 포화 수증기량이 감소하여 공기는 포화 상태에 도달하고, 응결이 시작되는데 이때의 온도를 이슬점이라고 합니다. 상대습도가 높으면 이슬점이 현재 온도와 가깝다는 것을 의미하고, 이슬점이 높다는 것은 상대습도가 높은 것을 의미합니다. 대기압이 낮아지면 이슬점이 낮아지는데, 이는 공기의 부피가 증가함에 따라 수증기압이 줄어들어 수증기가 쉽게 이슬로 변할 수 없게 되기 때문입니다. 보통의 경우 고도가 높아지면 기압이 낮아지므로 100m 올라갈 때마다 이슬점은 약 0.2℃씩 내려갑니다. 공기의 온도와 이슬점의 온도가 같아지는 순간 대기 안의 수증기가 액화되기 시작합니다. 이슬점에서는 물이 수증기로 변하는 기화 속도와 수증기가 물로 응결되는 속도가 같습니다. 이슬점 온도 이하에서는 액화 속도가 기화 속도가 빨라서 물방울이 생기게 됩니다. 응결된 물방울이 공기 중에 있으면 안개나 구름이 되고, 고체 표면에 맺히면 이슬이라고 합니다.
- 물의 순환(The Hydrologic Cycle) : 물의 순환은 물분자가 대기, 육지, 담수, 해양 사이를 순환하는 것을 말합니다.
- 증발(Evaporation) : 액체로부터 기체 상태로의 물질의 상태변화입니다.
- 증산 작용(Transpiration) : 식물이 뿌리를 통해 흡수한 물을 식물 잎의 기공을 통해 대기로 내보내는 과정을 말합니다.
- 승화(Sublimation) : 고체에 열을 가하면 액체 상태가 되지 않고 곧바로 기체가 되는 현상 또는 그 반대의 상태변화를 말합니다.
- 응결(Condensation) : 기체인 수증기가 액체인 물이 되는 현상을 말합니다.
- 물질의 상태변화(Transportation) : 물질을 가열하거나 냉각시킬 때 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태 사이에서 일어나는 변화를 이야기합니다.
- 대수층(aquifer) : 쉽게 풀이하자면 물이 스며들어 있는 다공성(물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질.
)의 암석 또는 기타 물질로 이루어진 지하층을 말합니다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 3-1~3 해석