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구름은 왜 안떨어질까? ‘구름과 중력’

  • 2015.08.20.
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20150820_한수원_구름이떨어진다_01

 

뭉게뭉게 하늘에 떠 있는 구름!

어릴 때에는 구름이 왜 하늘 위에 떠 있을까?
생각해본 적 있지만 성인이 되면서부터는 당연히 하늘 위에 떠 있는 것이라고 생각하게 되죠.

그렇다면 구름은 하늘 위에만 떠 있을까요? 한 번쯤은 땅에 내려올법한데도 말이죠.

오늘은 구름이 하늘에 떠 있는 이유에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

◆ 물이 공중에 떠 있다?

구름은 하늘에 떠 있지만, 우리가 아는 모든 물체는 땅으로 떨어지게 된다고 알고 있는 게 일반적인 상식이죠.
아리스토텔레스는 무거운 물체가 떨어지는 것은 물체의 기본 성질이라고 생각했습니다.

“사과는 왜 떨어지는가?”라고 묻는다면, 아마도 아리스토텔레스는 “사과를 이루는 흙과 물의 성분이 그 본질로 돌아가는 것이다”라고 답했을 것입니다. 중력을 제대로 이해하지 못한 비과학적인 생각이지만, 아리스토텔레스의 관점에는 지구 상의 물체가 지구의 중심을 향해 떨어지는 현상에 대한 하나의 철학적 해석이 담겨 있습니다.

사실은 구름도 사과와 크게 다르지 않습니다. 구름은 공기 중에 떠 있는 작은 물방울이나 얼음조각으로 이루어져 있습니다.
뭉게구름이 품고 있는 물방울이나 얼음조각의 양은 1세제곱미터당 1그램에 불과하지만, 구름의 크기를 고려하면 꽤 무거운 물체라고 할 수 있습니다.

뭉게구름은 해발 500미터부터 생기는데, 높이는 보통 2킬로미터 정도지만, 길게는 수백 킬로미터까지 퍼지기도 합니다.
가로 세로 높이 1킬로미터의 아주 작은 뭉게구름 속에도 1천 톤이나 되는 물이 들어 있습니다.

동전처럼 작은 물체도 땅으로 떨어지는데, 1천 톤 이상의 무거운 물이 왜 떨어지지 않을까요?

 

20150820_한수원_구름이떨어진다_02

 

◆ 빙산처럼 구름에도 부력이 있을까?

부력은 배가 물에 뜨는 원리입니다. 일반적으로 배가 밀어낸 물의 부피에 해당하는 무게가 배를 밀어 올리는 힘으로 작용하게 되죠.

얼음의 밀도는 물의 밀도의 약 90퍼센트 정도가 되는데요. 빙산 전체의 무게는 빙산 부피의 90퍼센트에 해당하는 물의 무게와 같습니다. 그래서 빙산은 90퍼센트만 물에 잠겨도 물의 부력으로 떠 있게 되는 것이죠.

그렇다면 구름의 부력에 대해서 생각해보겠습니다. 작은 물방울이나 얼음 조각을 품고 있는 구름에서는 물방울이나 얼음 조각 부피에 해당하는 공기 무게가 부력으로 작용하게 됩니다. 부피 1세제곱미터인 공기만의 무게는 약 1킬로그램, 즉 1000그램입니다.

물방울이나 얼음조각이 1세제곱미터당 1그램이 있다고 했으니, 공기를 포함한 구름의 무게는 1001그램입니다.
하지만 이 구름을 밀어올리는 공기의 부력은 1000그램 밖에 되지 않습니다.

공기의 부력으로 구름을 떠받치기에는 물방울의 무게 1그램이 부족하게 되는 것이죠. 구름 속의 물 1그램은 아주 적은 양이기는 하지만, 배드민턴에서 사용하는 셔틀콕의 무게가 약 5그램이라는 것을 생각하면 1그램에 작용하는 중력은 구름을 땅으로 떨어뜨리기에 충분한 크기입니다.

다시 말해, 구름은 중력에 의해 땅으로 떨어질 수밖에 없는 것입니다.

 

20150820_한수원_구름이떨어진다_03

 

◆ 구름은 아주 천천히 떨어진다?

구름 속 물방울의 지름은 평균 5~15마이크로미터 입니다. 10마이크로미터 물방울의 종단속력은 초속 0.13미터입니다. 보통 달팽이가 기어가는 속력의 열 배 정도가 되는 것이죠. 그런데 지름이 0.1밀리미터, 즉 100마이크로미터보다 작은 물방울이 움직일 때는 공기의 저항이 달라지게 됩니다.

물방울의 단면적이 너무 작아 유선형 공기의 흐름으로 바뀌게 되고, 공기 저항은 스토크스 법칙에 따라 물방울의 지름과 속력에 비례하게 됩니다. 물방울의 무게는 부피에 비례하니, 종단속력은 부피를 지름으로 나눈 값인 지름의 제곱에 비례하게 됩니다.

물방울의 크기가 100마이크로미터에서 10마이크로미터로 크기가 10분의 1로 줄어들 때, 물방울의 종단속력은 10분의 1의 제곱인 100분의 1만큼 줄어들게 됩니다.이런 효과를 모두 따져보면 10마이크로미터 물방울의 종단속력은 실제로는 초속 1센티미터에 불과합니다.

구름 속 물방울은 낙하산이 없어도 달팽이가 기어가는 것보다 훨씬 천천히 떨어지고 있는 것입니다. 초속 1센티미터의 바람도 없는 날은 거의 없다. 미세한 온도 차이나 기압 차이로도 쉽게 바람이 만들어지기 때문입니다.

구름 속 물방울을 둘러싼 공기가 초속 1센티미터로만 상승하게 되더라도 물방울은 낙하하는 것이 아니고 제자리에 머무르며 떠 있게 됩니다. 상승기류의 속력이 초속 1센티미터보다 크기만 하다면 구름 속 물방울은 쉽게 날아오른다. 바람만 불면 구름은 자유자재로 날아다닐 수 있게 되는 것이죠.

 

오늘은 구름이 하늘에 떠서 내려오지 않는 이유에 대해서 알아보았는데요. 구름은 달팽이 보다 천천히 지상을 향해 내려온다는 사실! 하지만 바람이 부는 곳으로 날아가는 것이죠! 여러분도 어릴 적 궁금하게 생각했던 것들에 대해서 다시 한번 생각해보시는 건 어떨까요?

 

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