[소중 과학실험실] 둥실둥실 하늘 위 구름을 페트병에 담아볼까요

온라인 중앙일보

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가족이나 친구들과 함께 산책을 하다가 맑은 하늘을 만나면 기분이 상쾌해지죠. 혹시 푸른 하늘에 떠 있는 흰 구름을 보며 어떤 동물이나 물건의 모양을 닮았는지 상상해본 적이 있나요? 혹은 구름 위에 누우면 참 푹신할 것 같다는 생각을 해보거나 솜사탕처럼 맛있을 것 같다는 생각은요. 이처럼 구름은 우리에게 신기하기도 하고 아름답기도 한 대상인데요. 오늘은 이런 구름을 우리 손으로 직접 만들어보는 실험을 해볼까 합니다.

원리 들여다보기 : 구름의 생성과정

구름은 우리가 흔히 생각하는 솜사탕 같은 것이 아니라 매우 작은 물방울이나 얼음알갱이(빙정)로 이루어져 있다. 우리가 숨 쉬고 있는 공기 중에는 기체 상태의 물인 수증기가 들어 있는데, 비가 오거나 흐린 날 습하다고 느끼는 것은 공기 중의 수증기량이 많기 때문이다. 수증기를 포함한 공기덩어리가 하늘 높이 상승하게 되면 구름이 만들어진다. 이 과정은 여러 단계를 거친다.

첫 번째 단계는 공기덩어리의 상승(위로 올라가는 것)이다. 지표면 중 일부 지역이 가열돼 공기가 상승하는 경우, 찬 공기와 따뜻한 공기가 만났을 때 따뜻한 공기가 상승하는 경우, 공기가 이동하다가 산과 같은 장애물을 만나는 경우 등이 있다.

두 번째는 공기의 부피 증가와 그에 따른 기온 하강이다. 공기가 상승하다 보면 주변 공기의 양이 줄어들면서 기압(공기의 압력)이 내려가게 되고, 이로 인해 공기의 부피가 커지게 된다. 높은 산을 올라가 보면 산 아래에서 구입한 과자봉지가 빵빵하게 부풀어 있는 것을 볼 수 있는데 이것도 기압이 내려가 과자 봉지 속 기체의 부피가 증가한 결과이다. 이때 공기는 부피가 커지면서 주변의 공기들을 밀어내느라 에너지를 소비한다. 따라서 기온(공기의 온도)이 내려간다. 이러한 과정을 ‘단열팽창’이라고 한다.

세 번째는 수증기 응결이다. 기체 상태의 물질은 온도가 내려가면 액체로 변하게 되고 더 차가워지면 고체 상태에 이르게 된다. 공기의 온도가 내려가다 보면 공기 속에 기체 상태로 있는 물인 수증기가 차가워지다가 액체 상태인 작은 물방울이 되거나 작은 얼음알갱이인 빙정이 된다. 이때 공기 중에 먼지처럼 작은 입자들이 많으면 물방울이 더 쉽게 뭉쳐지게 되는데 이를 응결핵이라고 한다. 우리가 실험에서 분무기로 뿌려주는 에탄올이 이러한 응결핵의 역할을 해준다. 구름이 더 잘 만들어지도록 도와주는 것이다.

이렇게 만들어진 물방울과 빙정은 그 크기가 매우 작고 공기가 상승하는 지역에 있기 때문에 높은 하늘 위에 떠 있게 된다. 또한 작은 물방울이나 빙정은 빛을 받으면 여러 방향으로 반사시켜 주기 때문에 하늘 위 구름이 하얗게 빛나는 것으로 보이게 된다. 물론 해가 뜨거나 질 때에는 붉은 빛이 구름으로 들어오기 때문에 붉게 보인다.

이처럼 구름은 작은 물방울이나 얼음알갱이들이 모여 있는 것이므로 우리가 구름 속으로 들어가면 안개처럼 느껴지며 우리의 몸을 촉촉이 적셔줄 것이다. 높은 산에 올랐을 때 만나는 안개는 산 아래의 사람들에겐 구름으로 보이며, 높은 산에 있는 사람들은 결국 구름 속을 걷고 있는 것과 같다. 혹시 비행기를 타게 될 기회가 있다면 비행기가 구름을 뚫고 지나갈 때 비행기 창문 밖에 물방울이 맺히는 것을 관찰해보자. 이것은 “비행기에 구름이 묻었다”라고 표현할 수 있을 것이다. 아래의 실험 과정을 통해 구름을 만들어보는 재미있는 경험을 해보자.

실험하기

가. 준비물 : 투명한 페트병(너무 크면 실험하기 어려울 수 있으니 500ml 정도가 적당함), 분무기, 에탄올(상처 소독용으로도 사용되므로 약국에서 쉽게 구입 가능), 가압압축펌프(펌프형 탄산음료 마개 또는 Fizz keeper)

나. 실험과정

1. 음료수를 마시고 남은 빈 페트병을 깨끗이 씻고 바닥이 찰랑거릴 정도로 물을 넣는다.
2. 가압압축펌프를 페트병 입구에 결합한다.
3. 분무기에 에탄올을 넣고 페트병 안에 3~4번 정도 분무한다.
4. 펌프를 닫고 펌프질을 시작한다. 페트병이 빵빵해지고 펌프질이 잘 안되는 정도가 되면 멈춘다.
5. ‘뻥~!’ 하는 소리가 나도록 펌프를 한번에 열어 준다. 페트병 속이 흐려지면서 구름이 만들어진다.

추가 실험 아이디어
-구름이 만들어진 뒤 페트병 속에 손가락을 넣고 구름을 만져보자.
-구름을 만들자마자 다시 펌프를 닫고 다시 펌프질을 해보자.
-구름이 만들어지기 전과 만들어지고 난 후 페트병의 온도를 비교해 보자.
-구름을 만들고 펌프를 닫은 뒤 여러 색깔의 조명 아래에 구름을 가져가 보자.

글 = 김동건 선린중학교 과학교사, 사진 = 장진영 기자