대기 안정도 — 어떤 날은 연기가 솟고 어떤 날은 깔릴까

같은 굴뚝인데 연기의 모양이 날마다 다릅니다. 한낮에는 연기가 위아래로 출렁이며 뭉게뭉게 솟고, 맑은 밤이나 새벽에는 얇은 띠가 되어 멀리까지 깔립니다. 겨울 아침 도시의 스모그가 하늘 어느 높이에 뚜껑을 덮은 것처럼 멈춰 서 있는 것도 같은 일입니다. 공기가 위로 잘 올라가는 날과 못 올라가는 날이 있다는 뜻이고, 그 차이를 말하는 것이 대기 안정도입니다. 안정도는 하늘의 색이 아니라 기온이 높이에 따라 어떻게 변하는가로 정해집니다.

올라간 공기 덩어리는 주위보다 따뜻한가, 차가운가

공기 덩어리가 어떤 까닭으로 조금 위로 올라갔다고 해 봅시다. 위로 갈수록 기압이 낮으니 덩어리는 팽창하고, 팽창하면서 온도가 내려갑니다. 이것이 단열 변화이고, 건조한 공기 덩어리는 1 km 올라갈 때마다 10 ℃ 씩 식습니다. 이 값은 덩어리 안에서 일어나는 일이라 날씨와 상관없이 늘 같습니다. 그런데 덩어리 주위의 공기도 높이에 따라 기온이 다릅니다. 주위 공기의 기온이 높이에 따라 내려가는 비율을 기온 감률이라고 하는데, 이 값은 그날그날 다릅니다. 안정도는 이 둘의 비교입니다.

주위 공기의 기온 감률이 1 km 에 6 ℃ 처럼 작은 날을 봅시다. 올라간 덩어리는 10 ℃ 식었는데 주위는 6 ℃ 밖에 안 식었으니, 덩어리가 주위보다 차갑습니다. 차가운 공기는 무거워 제자리로 가라앉습니다. 밀어 올려도 되돌아오니 이 대기는 안정합니다. 반대로 지면이 뜨겁게 달궈져 주위 기온이 1 km 에 12 ℃ 씩 떨어지는 날이면, 10 ℃ 식은 덩어리가 오히려 주위보다 따뜻합니다. 따뜻한 공기는 가벼워 더 올라갑니다. 한 번 밀어 올리면 스스로 계속 오르니 불안정입니다. 안정과 불안정을 가르는 기준은 덩어리 자신의 감률, 곧 건조 단열 감률 10 ℃/km 입니다.

구름이 생기면 기준이 바뀝니다 — 조건부 불안정

덩어리가 식다가 이슬점에 닿으면 수증기가 응결해 구름이 됩니다. 응결할 때는 숨은열이 나와 덩어리를 데우므로, 그 뒤로는 식는 속도가 느려집니다. 이것이 습윤 단열 감률이고 교과서에서는 1 km 에 5 ℃ 로 잡습니다. 그러니 기준이 둘이 됩니다. 주위의 기온 감률이 5 ℃/km 보다 작으면 구름이 생겨도 덩어리가 주위보다 차가워 절대 안정, 10 ℃/km 보다 크면 구름이 없어도 절대 불안정입니다. 그 사이, 5 와 10 사이에 있으면 건조한 동안에는 안정하다가 구름이 생긴 뒤에는 불안정해집니다. 이것을 조건부 불안정이라고 하고, 여름 오후 소나기구름이 어느 높이를 넘자마자 갑자기 치솟는 까닭이 이것입니다. 공기를 억지로 그 높이까지 들어 올리는 것은 지형이나 전선, 대류의 몫입니다.

뚜껑이 덮인 하늘 — 기온 역전

보통은 위로 갈수록 기온이 내려가지만, 맑은 밤에는 지면이 복사로 빠르게 식어 지면 가까운 공기가 그 위의 공기보다 차가워집니다. 높이 올라갈수록 기온이 오르는 층, 기온 역전층입니다. 여기서는 올라간 덩어리가 식는데 주위는 오히려 따뜻하니 덩어리는 곧바로 가라앉습니다. 가장 안정한 상태입니다. 역전층은 뚜껑처럼 작용해, 그 아래에서 나온 연기와 매연은 위로 빠져나가지 못하고 지면 쪽으로만 퍼집니다. 겨울 새벽 도시에 스모그와 안개가 짙게 깔렸다가 해가 떠 지면이 데워지면 역전층이 깨지며 걷히는 것이 그 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 기온 감률 그래프에서 안정·불안정 판정. 주위 공기의 선이 건조 단열선보다 완만하면(감률이 작으면) 안정, 가파르면 불안정. 세로축이 높이, 가로축이 기온이라 가파른 선이 감률이 큰 쪽이라는 것에 주의합니다.
• 건조 단열 감률 10 ℃/km · 습윤 단열 감률 5 ℃/km 와 그 사이의 조건부 불안정. 세 구간을 숫자로 가르게 합니다.
• 올라간 덩어리의 기온 구하기. 응결 고도까지는 10 ℃/km, 그 위로는 5 ℃/km 로 식힌 뒤 주위 기온과 비교합니다.
• 기온 역전층. 지면 복사 냉각이 심한 맑고 바람 없는 밤에 잘 생기고, 대기 오염 물질이 지면 근처에 갇히는 까닭으로 묻습니다.
• 연기의 모양과 안정도 짝짓기. 출렁이며 솟는 연기는 불안정, 얇게 깔리는 연기는 안정.

자주 헷갈리는 것

• "기온이 낮으면 안정하다" — 기온 자체가 아니라 높이에 따라 얼마나 빨리 내려가는가가 기준입니다. 춥더라도 지면이 그 위보다 훨씬 따뜻하면 불안정합니다.
• "안정한 대기에서는 공기가 전혀 움직이지 않는다" — 안정은 밀어 올린 공기가 되돌아온다는 뜻입니다. 바람은 얼마든지 붑니다. 다만 위아래로는 잘 섞이지 않습니다.
• "구름이 생기면 더 빨리 식는다" — 반대입니다. 응결의 숨은열이 덩어리를 데워 더 천천히 식습니다. 그래서 구름이 생긴 뒤에 불안정해지는 조건부 불안정이 있습니다.
• "기온 역전은 특별한 날에만 생긴다" — 맑은 밤이면 거의 날마다 지면 가까이에 얇게 생겼다가 아침에 사라집니다. 겨울에 두껍고 오래 남을 뿐입니다.

정리합니다. 대기 안정도는 올라간 공기 덩어리가 주위보다 따뜻한가 차가운가로 정해지고, 덩어리는 건조하면 10 ℃/km, 구름이 생기면 5 ℃/km 로 식습니다. 주위의 기온 감률이 그보다 작으면 덩어리가 주위보다 차가워 되돌아오는 안정, 크면 주위보다 따뜻해 계속 오르는 불안정이며, 위로 갈수록 기온이 오르는 역전층은 뚜껑처럼 연기와 오염 물질을 지면 가까이에 가둡니다.