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[소년중앙] 하늘로 올라간 수증기의 3단 변신 따라잡기

중앙일보

입력

업데이트

‘과학, 실험, 으악 따분해!’라고 느낀 적 있나요. 이제 걱정하지 말아요. 소년중앙이 집에서 준비할 수 있는 물건으로 재미있는 실험을 시작합니다. 초등학교 과학 연구 교사 모임 아꿈선(www.아꿈선.com)과 함께하는 소꿈연구실이에요. 소꿈연구실에서 가벼운 실험을 하나씩 성공하다 보면 과학과 친해질 수 있을 거예요. 차근차근 따라 해 보고, 소년중앙 홈페이지(sojoong.joins.com)에 인증도 해봅시다.

오늘의 실험. 구름·비·눈은 어떻게 만들어질까 (5학년 2학기 3단원 4차시)

준비물

500㎖ 페트병, 액정 온도계, 공기 주입 마개

1. 500㎖ 페트병의 입구를 공기 주입 마개를 이용해 완전히 닫습니다.

2. 공기 주입 마개를 눌러 공기를 주입하면서 페트병 내부의 온도 변화를 관찰합니다. (예시: 공기 주입 전 온도: 24⁰C / 공기 주입 후 온도 28⁰C)

3. 공기 주입 마개를 엽니다.

4. 페트병 안에 나타난 변화를 관찰합니다. 페트병 안에 뿌연 기체가 생기죠. 구름이 된 거예요. 이제 페트병의 온도가 점점 내려갈 거예요. (예시: 뚜껑 열기 전 온도 28⁰C → 열고 난 후 온도 24⁰C)

오늘의 개념. 글로 푸는 구름

1. 구름은 어떻게 만들어질까

구름은 작은 물방울, 얼음 알갱이 등으로 구성돼 있죠. 어디서 나온 물과 얼음일까요. 지구 표면의 물을 얘기해 볼까요. 이 물은 태양열에 의해 증발하거나 식물의 증산 작용에 의해 수증기가 돼요. 공기 속에서 떠돌죠. 공기가 데워지면 위로 올라갑니다. 높은 곳일수록 공기의 압력, 즉 기압은 낮아지죠. 누르는 힘인 기압이 낮으면 부피가 커지고요. 부피가 커지면 열에너지를 쓰죠. 사용된 열에너지 때문에 온도는 점점 내려갈 거고요. 높은 곳으로 갈수록 온도는 낮아지고 마침내 수증기가 응결하기 시작하는 온도인 응결점에 이르면 수증기가 물방울로 바뀝니다. 더 높이 올라가면 온도는 낮아질 거고요. 어는점을 지나면 물방울이 얼음으로 바뀌죠. 이 과정을 통해 대기 높은 곳에서는 공기 중 수증기의 일부가 물방울, 얼음 알갱이들로 바뀝니다. 응결된 물방울, 얼음 알갱이가 모인 걸 우리는 구름이라 부르고요.

2. 구름의 종류는 얼마나 다양할까

구름이 흘러가는 방향을 보고 공기의 움직임을 알 수 있고 구름의 모양에 따라 날씨를 알 수 있습니다. 구름의 모양과 상태를 보면 비가 오지 않을 것인지, 가랑비가 내릴 것인지, 소나기가 내릴 것인지, 천둥·번개가 칠 것인지를 알 수 있죠. 여러분도 구름을 보고 이 비밀을 알고 싶다면 선생님 이야기를 주목하길 바라요. 구름은 크게 모양과 위치한 높이에 따라 분류합니다. 1803년 영국의 기상학자 하워드는 구름의 종류를 높이, 모양에 따라 권운·적운·층운의 세 종류로 나누었어요. 오늘날에는 이를 바탕으로 높이에 따라 상층운·중층운·하층운·수직운으로 분류합니다. 높이에 따라 구분한 거죠. 모양에 따라 10종류로 세분화한 구름 이름도 살필까요. 권운(새털구름)·권적운(바늘구름)·권층운(베일구름)·고적운(양떼구름)·고층운(회색차일구름)·난층운(비구름)·층운(안개구름)·층적운(두루마리 구름)·적운(뭉게구름)·적란운(소나기구름)입니다. 가로로 퍼져 있으면 층운형 구름, 세로로 높이 발달했으면 적운형 구름이죠.

3. 눈·비는 왜 내릴까

빙정설로 설명해 볼게요. 얼음 알갱이를 중심으로 물방울들이 서로 철썩 붙어 무거워져 아래로 떨어진다는 이론이에요. 구름의 구조는 상층부·중층부·하층부의 3부분으로 나눠요. 높은 곳일수록 온도가 낮아지기 때문에 상층부에는 수증기가 응결한 얼음 알갱이만 존재하고요. 중층부에는 수증기가 응결한 얼음 알갱이와 물방울들이 함께 존재하고, 하층부에는 물방울들만 있죠. 그중 중층부에서 수증기와 얼음 알갱이가 서로 붙고요. 다시 얼어 알갱이 크기가 커져요. 여기에 다른 수증기가 또 붙고 얼고요. 과정을 반복하면 얼음 알갱이는 점점 커지고 무거워져 아래로 떨어지겠죠. 떨어지는 과정서 얼음 알갱이가 녹으면 비가 되는 거예요. 녹지 않고 떨어지면 눈이고요. 녹다 말고 땅에 도달하면 진눈깨비인 거죠.

떨어지는 물방울의 속도는 공기 저항에 의해 낮아집니다. 특별한 점은 공기 저항은 물체가 운동하는 속도에 비례하여 더욱더 커지게 된다는 점이고요. 이에 따라 낙하하는 물체는 속도가 빨라지다 일정 속도가 되면 중력과 공기 저항의 크기가 서로 같아지면서 속도가 일정해집니다. 일정해진 속도를 '종단속도(終端速度·저항력을 발생시키는 유체 속에서 떨어지는 물체 등이 다다를 수 있는 최종 속도)'라고 해요. 종단속도에 영향을 주는 건 속도, 표면적이죠. 같은 무게일 때 표면적이 클수록 종단속도는 낮아지는 거예요. 여기에 구름이 떠 있을 수 있는 비밀이 숨겨져 있는 겁니다. 숫자로 설명할게요. 반경 2㎜인 빗방울은 0.02㎜인 구름 입자 100만개와 같은 무게를 가져요. 100만 개의 구름 입자가 모였다면 표면적이 크겠죠. 같은 무게일 때 표면적이 클수록 느려질 거고요. 그러니 개별 구름 입자들이 모인 큰 구름의 종단속도는 낮아지죠. 숫자로 자세히 들여다볼까요. 반경 2㎜ 빗방울의 종단속도는 초속 8.5m이지만 반경 0.02㎜인 구름 입자는 초속 0.02m입니다. 반경이 100분의 1일 때 종단속도는 425분의 1로 급격하게 낮아지죠. 즉 구름 입자도 떨어지긴 합니다만 종단속도가 겨우 초속 2㎝이기 때문에 1m 낙하하는 데 30초 이상 걸리는 거예요. 느린 거죠. 이 때문에 구름이 떨어지더라도 멀리서 보면 우리 눈으로는 쉽게 알아차릴 수 없는 겁니다. 여기에 땅에서 열을 받아 뜨거워진 공기가 위로 올라오는데 이러한 상승기류의 영향으로 구름이 더 오래 떠 있을 수 있는 거고요.

4. 수백 톤짜리 구름이 하늘에 떠 있는 이유는

[소년중앙, 아꿈선]

[소년중앙, 아꿈선]

떨어지는 물방울의 속도는 공기 저항에 의해 낮아집니다. 특별한 점은 공기 저항은 물체가 운동하는 속도에 비례하여 더욱더 커지게 된다는 점이고요. 이에 따라 낙하하는 물체는 속도가 빨라지다 일정 속도가 되면 중력과 공기 저항의 크기가 서로 같아지면서 속도가 일정해집니다. 일정해진 속도를 '종단속도(終端速度·저항력을 발생시키는 유체 속에서 떨어지는 물체 등이 다다를 수 있는 최종 속도)'라고 해요. 종단속도에 영향을 주는 건 속도, 표면적이죠. 같은 무게일 때 표면적이 클수록 종단속도는 낮아지는 거예요. 여기에 구름이 떠 있을 수 있는 비밀이 숨겨져 있는 겁니다. 숫자로 설명할게요. 반경 2㎜인 빗방울은 0.02㎜인 구름 입자 100만개와 같은 무게를 가져요. 100만 개의 구름 입자가 모였다면 표면적이 크겠죠. 같은 무게일 때 표면적이 클수록 느려질 거고요. 그러니 개별 구름 입자들이 모인 큰 구름의 종단속도는 낮아지죠. 숫자로 자세히 들여다볼까요. 반경 2㎜ 빗방울의 종단속도는 초속 8.5m이지만 반경 0.02㎜인 구름 입자는 초속 0.02m입니다. 반경이 100분의 1일 때 종단속도는 425분의 1로 급격하게 낮아지죠. 즉 구름 입자도 떨어지긴 합니다만 종단속도가 겨우 초속 2㎝이기 때문에 1m 낙하하는 데 30초 이상 걸리는 거예요. 느린 거죠. 이 때문에 구름이 떨어지더라도 멀리서 보면 우리 눈으로는 쉽게 알아차릴 수 없는 겁니다. 여기에 땅에서 열을 받아 뜨거워진 공기가 위로 올라오는데 이러한 상승기류의 영향으로 구름이 더 오래 떠 있을 수 있는 거고요.

정리=강민혜 기자 kang.minhye@joongang.co.kr, 도움말=김선왕 아꿈선 영상팀장

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