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빗방울
개요
빗방울의 모양을 알기 위해서는 우선 비의 종류부터 알아보아야 한다. 장마철에 내리는 장맛비부터 바람이 없는 날 가늘고, 조용하게 내리는 보슬비, 갑작스럽게 굵은 빗방울이 짧게 내리는 소나기, 번개와 천둥을 동반하는 뇌우 등 비에는 많은 이름이 있다. 빗방울의 모양은 눈물 모양도 아니고, 하나의 모양만 나타나는 것도 아니다. 사실 빗방울 모양을 우리의 눈으로 관찰하기란 여간 어려운 것이 아니다. 빗방울은 초속 10m의 속도로 떨어지게 되는데, 이 속도는 1초에 3층 건물 높이를 떨어지는 것과 비슷하다고 합니다. 그렇기 때문에 우리는 빗방울 자체의 모습을 볼 수 없고, 대신 빗방울의 잔상이 모인 하나의 기다란 빗줄기를 보게 되는 것이다. 그러나 이제 과학의 발전으로 빗방울의 모양까지 관찰할 수 있게 되었고, 빗방울의 모양이 생각보다 단순하게 결정되는 것이 아니라는 것을 밝혀내게 되었다.[1]
상세
하늘에서 떨어지는 빗방울은 수학적으로만 보자면 사실 있을 수 없는 존재다. 원래 지상에 비가 내리는 건 있을 수 없는 현상이라고 한다. 빗방울과 관련한 물리 현상이 많다. 물 분자가 모이는 응축이나 점성, 공기 저항 등을 예로 들 수 있다. 빗방울은 엄밀히 말하자면 낙하는 물이다. 공기 저항으로 인해 해파리와 비슷한 모양을 하고 있다. 수학적이나 물리적으로 빗방울을 만드는 방법을 생각해보면 보통 빗방울이 있는 건 쉽게 말해 처음에 기온이 내려가면 수증기가 액체 상태 물이 되고 이 물이 모여 물방울이 될 뿐이라고 생각하기에 십상이다. 하지만 물이 모여서 물방울이 된다는 현상은 사실 수학적으로는 일어날 수 없다. 물은 표면적을 작게 하려는 성질이 있다. 물 분자가 서로 당기고 서로 확산 없이 구형에 모이는 성질이 있는 것이다. 덕분에 작은 물방울은 구형하고 작은 동전에 물방울이 올라오는 것이다.
좀 더 자세하게 말하자면 물은 표면적을 크게 할 때 에너지를 흡수하고 부피를 크게 할 때 에너지를 방출하는 성질이 있다. 물방울이 충분한 크기를 갖게 되면 부피가 증가해 방출되는 에너지의 양은 표면적을 증가시켜 흡수되는 에너지보다 커진다. 이는 부피가 반경의 세제곱에 비례하고 표면적은 반지름의 제곱에 비례한다는 것과 관련이 있다. 다시 말해 부피는 증가하기 쉽다는 것이다. 부피를 늘려 얻을 수 있는 에너지(103)>표면적을 늘려 손실되는 에너지(102)인 상태다. 반면 물방울이 작아지면 0.13<0.12라는 정반대 상태다. 그러니까 물방울이 있는 크기를 경계로 커지거나 정반대의 경우도 있다는 것이다. y=x²-x³ 그래프라면 x=2/3에서 극대값을 갖는다. 이 극대값에선 이보다 작은 물방울이 모이기는커녕 작게 되기 쉽다는 것이다. 수학적으로 1보다 작은 범위에서 제곱 그래프가 3승 그래프보다 항상 커지기 때문에 당연하다. 작은 크기의 물 분자가 모여 큰 물방울이 될 수 없다는 얘기다.
하지만 실제로는 비가 내린다. 수학적으로는 지구상에는 빗방울이 떨어지는 건 아니다. 공중을 떠도는 작은 물 분자가 자연에 모여 물방울이 될 수 없기 때문이다. 무엇보다 물 분자끼리 결합되기 쉬운 성질을 갖고 있다. 공중에 있는 물 분자는 붙어 덩어리가 될 수도 있고 떨어질 수도 있다. 공중이 있는 수분은 이슬점(Dew Point)이라는 온도를 경계로 물방울이 된다. 하지만 이는 많은 물 분자가 모여 거대한 덩어리가 되는 경우에 통용되는 얘기다. 작은 물 분자 덩어리는 곡선이 가파르고 물 분자 주위에 중간 크기 물 분자 수가 작아 결속력이 약하기 때문에 에너지를 가하면 결속력은 와해되어 물 분자가 튀어 나온다. 다시 말해 튀어 나온 물 분자가 많아 물 분자 덩어리가 커지는 게 아니라 작아진다.
일정 크기를 경계로 물 분자는 적거나 혹은 커지기 쉬운 2가지 상태를 취한다고 했다. 이 크기는 물 분자 1억5000만 개 덩어리다. 골프공 정도 크기 범위에서 물 분자 5개 덩어리가 수백 만개 존재하면 그중 물 분자가 10개 덩어리로 확대되는 건 1개뿐이다. 물 분자 덩어리 50개는 1600만km 범위에 불과 1개뿐이다. 이런 거의 제로에 가까운 확률을 뚫고 물 분자 150만 개가 탄생한다는 건 수억 년을 기다려도 일어날 수 없다. 그런데 공중에는 작아서 있는지도 모르는 먼지 같은 이물질이 감돌고 있다. 이 먼지에 물 분자가 불으면 물이 모여 커진다. 커진 물 분자 덩어리는 구름으로 모여 비를 내리게 된다. 다시 말해 지구에 물방울이 탄생하고 비가 내리는 건 공중에 떠도는 작은 먼지 덕분이라는 것이다.[2]
비가 내리는 과정
빗방울의 모양을 알아보려면 우선 비가 내리는 과정부터 살펴볼 필요가 있다. K-water에서 제공하는 물백과사전에서 정의하는 '비'는 대기 중 수증기가 지름 0.2mm 이상의 물방울이 되어 지상에 떨어지는 현상이라고 합니다. 지름 0.2mm 이상의 물방울만이 '비'가 될 수 있는 원인은 바로 구름에서 만들어진 구름방울이 0.2mm 이하로 떨어지게 되면 150m 정도만 낙하해도 지상에 닿지 못하고, 증발하기 때문이다. 구름 속 수많은 구름방울이 병합되어 하나의 빗방울이 되는데, 이 과정은 크게 두 가지 가설로 설명된다. 바로 빙정설과 병합설이다.
빙정설
빙정설은 구름 상부에서 –40℃까지 냉각된 빙정이 빙정과 물이 공존하고 있는 곳까지 하강하여 포화수증기압의 차이로 물이 증발하여 빙정 표면에 승화, 응결되어 강수 입자가 점점 성장하게 됩니다. 이렇게 성장한 물방울이 0.2mm 이상이 되면 증발하지 않고, 지상으로 내려와 우리가 비를 볼 수 있는 것이다.
병합설
병합설은 태양과 열대지방에서 생성되는 따뜻한 비에 적용되는 가설로, 구름 속에서 만들어지는 다양한 크기의 물방울 중에 크기가 큰 물방울이 작은 물방울에 비해 빨리 떨어지기 때문에 떨어지는 과정에서 큰 물방울이 주변의 작은 물방울들과 합쳐져 더 큰 물방울이 되고, 공기가 무거워진 물방울을 지탱하지 못해 땅으로 떨어지게 된다는 이론이다.[1]
빗방울의 모양
빗방울의 모양을 결정짓는 요인은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 바로 '표면장력'과 '공기의 압력'인데, 표면장력은 물의 표면을 최대한 작게 만들어주는 성질이고, 공기의 압력은 이런 표면장력의 성질을 방해하는 요인이다. 이 두 요인의 적절한 상호작용이 내리는 빗방울의 모양을 결정하게 되는 것이다. 더 자세히 설명해 드리면, 표면장력은 액체에 적용되는 힘으로, 액체의 내부에 존재하는 분자들은 모든 방향에서 같은 힘을 받지만, 액체의 표면에 있는 분자들은 액체 바깥으로 작용하는 힘이 없어 액체의 내부로만 힘을 받게 된다. 따라서 액체의 표면에 있는 분자들은 바깥으로 넓게 퍼지지 못하고, 액체의 내부로 들어가 될 수 있는 대로 적은 표면적을 가지려는 경향을 보이는데, 이를 표면장력이라고 한다.
공기의 압력은 대기압이라고도 하는데, 공기의 무게에 의해 생기는 대기의 압력이다. 대기업의 압력은 단면적이 1㎠이고, 길이 1m의 한쪽 끝이 막힌 유리관 안에 수은을 가득 채운 뒤, 유리관을 거꾸로 세우면 수은주의 높이가 항상 76cm를 유지한다는 '토리첼리의 실험'을 통해 76cm의 수은 기둥이 누르는 압력과 같다는 것을 밝혀내게 되었다. 그러나 이 대기압은 같은 장소에서 항상 같은 값을 나타내는 것이 아니라 같은 장소일지라도 시간, 햇빛, 온도 등의 기상요인, 대기 상태에 따라 달라지기 때문에 같은 지역에서 같은 비가 내리더라도 빗방울의 모양은 얼마든지 달라질 수 있다.
빗방울 모양이 햄버거 빵모양
NASA에서는 일반적인 빗방울의 모양은 눈물방울 모양이 아니며 햄버거의 윗부분에 놓인 빵 같이 아래는 평평하고, 위는 둥그스름한 모양이라고 밝혔다. 물론 표면장력과 공기의 압력에 의해 이 일반적인 빗방울 모양은 언제든지 달라질 수 있지만, 빗방울은 크게 3가지 단계를 거치며 자신만의 모양을 형성하게 된다.
- 첫 번째는 구름 속 물 분자들이 모여 구름방울을 형성하기 시작한다.
- 두 번째는 이렇게 결합한 분자들이 빗방울이 되어 지상으로 떨어지게 되는데, 공기의 압력이 떨어지는 빗방울의 아래쪽에 힘을 가해 햄버거 빵처럼 아래는 평평한 모양이 되고, 윗부분은 둥근 모양이 되는 것이다. 그러나 2mm 이하로 빗방울의 크기가 작을 때는 표면장력이 강해 동그란 형태를 띠게 되고, 빗방울이 커질수록 공기의 압력이 커져서 아래쪽이 납작해지게 된다.
- 세 번째 단계에서는 점점 커지는 빗방울의 직경이 4mm를 넘어서게 되면 낙하산 모양으로 점점 길쭉해지다가 부서지게 된다. 정리하자면 빗방울의 크기가 2mm 이하일 때는 표면장력에 의해 동그란 모양을 유지하다가 2mm가 넘어가고, 4mm보다는 작을 때, 공기의 압력이 커져 햄버거 빵 모양이 되는 것이다. 햄버거 빵 모양의 빗방울은 지상과 가까워질수록 다른 빗방울과 결합하게 되고, 크기가 커져서 4mm까지 도달하게 되면 빗방울이 낙하산 모양이 된다. 이후에도 점점 낙하속도가 커져 공기의 압력이 커지게 되고, 빗방울이 다시 부서져 작은 빗방울로 떨어지게 된다. 빗방울의 모양이 하나로 고정되는 것이 아니라 내리는 과정에 따라 바뀔 수 있다.[1]
동영상
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 이나영 기자, 〈빗방울은 정말 눈물 모양일까?〉, 《네이버 블로그》, 2022-07-20
- ↑ 이석원 기자, 〈빗방울이 존재하는 과학적 이유〉, 《헬로디디》, 2017-05-03
참고자료
- 〈빗방울〉, 《네이버 국어사전》
- 이나영 기자, 〈빗방울은 정말 눈물 모양일까?〉, 《네이버 블로그》, 2022-07-20
- 이석원 기자, 〈빗방울이 존재하는 과학적 이유〉, 《헬로디디》, 2017-05-03
같이 보기
