대기 중의 물 1-8

대기 중의 물은 크게 3가지의 형태로 나뉜다.

"기체 상태의 수증기, 액체 상태의 물방울, 고체 상태의 빙정"이 있다.

수증기-물방울-빙정

상태변화의 방향이 왼쪽이라면 잠열을 흡수하고 오른쪽이라면 잠열을 방출한다고 볼 수 있다.

※잠열(숨은열)은 어떤 물질이 온도의 변화 없이 상태가 변할때 방출되거나 흡수되는 열을 뜻한다.

 

건조공기(수증기를 포함하지 않음)

N₂ 78%

O₂ 21%
Ar 0.93%
CO₂ 0.04%

어떤 공간 안에 공기가 어떻게 분포되어 있는가를 알 수 있는 방법

1)수증기압

1기압=1atm=101325Pa=1013.25hPa=76cmHg=10mH2O

(76cmHg가 10mH20인 이유는 Hg의 밀도가 약 13.56g/cm^3인데 반해, H2O의 밀도는 1g/cm^3라서 76cm에 13.6을 곱해준다.)

2)수증기량(g/m^3)

증발v∝T 

응결v∝수증기량

출처:JINI's calculation

현재 상태는 C상태이다. 현재 상태는 아직 증발v>응결v이기 때문에 수증기량이 계속해서 늘어나고 결국에는 증발v=응결v인 B상태에 도달하게 된다.

※자연적인 상태에서 포화상태가 존재하는 것은 힘들다. 포화수증기량 곡선에 다가갈수록 응결v가 높아져서 포화수증기량 증가속도=증발v-응결v이 점점 줄어든다. 따라서 포화수증기량 곡선에 다가가기 위해서는 영원한 시간이 필요하다.

만일 C상태에서 기온이 감소하면 A상태, 즉 이슬점에 도달하게 된다. 이슬점은 이슬이 생기기 시작하는 지점이다. 이슬점의 기온 이하인 지점은 포화수증기량 곡선으로 점이 내려올때까지 수증기가 응결된다.

이슬점은 현재 수증기량에만 영향을 받는다.

습도

1)절대습도(현재 수증기량)
2)상대습도(현재 수증기량/포화 수증기량×100(%))

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단열변화(공기의 연직 운동)

단열팽창

숲이 우거져있는 산속을 생각하자. 이 산속에는 공기가 분포되어 있다. 그렇다면 모든 곳이 공기에게 같은 영향을 주지는 않을 것이다. 예를 들어 나무가 없는 공간이 있어서 그 지점에는 햇빛이 든다고 생각해보자.

햇빛이 드는 곳의 공기는 대류현상이 일어나 위로 상승한다. 이 과정에서 전도·대류·복사에 의한 열출입이 거의 없기 때문에 단열팽창이 일어난다.

높은 곳은 주변 공기의 밀도가 낮아 압력이 낮은 상태기 때문에 높은 곳까지 상승한 공기는 결국 부피가 증가하게 된다.

그렇게 외부에 일을 하게 된 공기는 내부에너지 변화량이 음수가 되어 온도가 감소하게 된다.

 

단열압축

공기가 낮은 고도로 내려오면서 주변압력은 높아지게 되고 그렇게 부피가 감소하여 단열팽창때 했던 것처럼 온도가 증가하는 현상이 나타난다.

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단열감률

건조단열감률(불포화상태): 10ºC/km (30ºC의 온도를 가지는 공기(불포화상태)가 1km 올라가면 20ºC가 된다는 뜻)
습연단열감률(포화상태): 5ºC/km (포화상태의 공기는 온도가 감소하면서 수증기가 응결되어 잠열을 방출하기 때문에

10ºC가 줄어드는 것과 5ºC가 늘어나는 것을 함께한다.)

 

이슬점감률

불포화상태: 2ºC/km

포화상태: 5ºC/km (습연단열감률과 동일)

 

출처:사이버스쿨

상승응결고도(H)

구름이 만들어지는 곳의 고도를 측정하는 식이다. 공기는 포화상태가 되어야 수증기가 응결될 가능성이 있기 때문에 구름이 생기는 지점의 이슬점과 기온은 같다. 이 특징을 이용하여 상승응결고도(H)를 측정한다.

 

지표면의 기온과 이슬점을 각각 T,T_d 로 하고 구름이 생성되는 지점 중에 지표면과 가장 가까운 부분의 기온과 이슬점을 각각 T_H,T_dH 로 하자.

T_H-T_dH=T-10/1000×H-(T_d-2/1000×H)

→ H=(T-T_d)×1000/8

 

푄 현상

A상태의 공기는 B,C,D의 상태를 차례대로 거쳤다. B상태에서는 공기가 포화상태에 도달하여 구름이 생성됐고 B→C의 과정에서 비가 내렸다. 그리고 D의 상태에 도달한 것이다.

	A	B	C	D
T	25ºC	15ºC	10ºC	30ºC
Td	17ºC	15ºC	10ºC	14ºC

 

+)

구름은 상층운 중층운 하층운 으로 구별된다.

상층운:권적운, 권층운, 권운
중층운:고적운, 고층운
하충운:층운형 구름, 적운형 구름, 층적운