¶ 지식 정보
¶ 기온에 따른 공기 덩어리의 이동
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공기 덩어리의 온도가 기온보다 낮은 경우:
공기 덩어리의 밀도가 주변 공기보다 커 공기 덩어리는 스스로 하강한다. -
공기 덩어리의 온도가 기온보다 높은 경우:
공기 덩어리의 밀도가 주변 공기보다 작아 공기 덩어리는 스스로 상승한다.
¶ 기온 감률
고도가 높아질수록 기온이 감소하는 비율이다.
단위는 주로 를 사용한다.
¶ 대기 안정도
기온 감률과 단열 감률의 크기에 따라 안정, 중립, 불안정으로 구분한 것이다.
대기 안정도는 공기 덩어리가 원래 자리로 되돌아오는지로 판단하므로 현재 공기 덩어리의 이동 여부가 아닌 기온 감률과 단열 감률을 비교한다.
¶ 안정, 중립, 불안정
안정은 [기온 감률건조 단열 감률]일 때이고,
중립은 [기온 감률건조 단열 감률]일 때이며,
불안정은 [기온 감률건조 단열 감률]일 때이다.
아래 그림과 같이 초록색 공기 덩어리를 위아래로 움직일 때,
위로 움직인 공기 덩어리의 온도는 기온보다 낮아져 하강하고, 아래로 움직인 공기 덩어리의 온도는 기온보다 높아져 상승한다.
따라서 공기 덩어리가 원래 자리로 되돌아오려 하므로 대류가 잘 일어나지 않는다.
아래 그림과 같이 초록색 공기 덩어리를 위아래로 움직일 때,
위로 움직인 공기 덩어리와 아래로 움직인 공기 덩어리의 온도는 각각 해당 높이의 기온과 같다.
따라서 공기 덩어리가 움직이지 않고 그대로 있으므로 대류가 잘 일어나지 않는다.
아래 그림과 같이 초록색 공기 덩어리를 위아래로 움직일 때,
위로 움직인 공기 덩어리의 온도는 기온보다 높아져 상승하고, 아래로 움직인 공기 덩어리의 온도는 기온보다 낮아져 하강한다.
따라서 공기 덩어리가 원래 자리에서 멀어지려 하므로 대류가 잘 일어난다.
¶ 절대 안정, 조건부 불안정, 절대 불안정
절대 안정은 [기온 감률습윤 단열 감률]일 때이고,
조건부 불안정은 [습윤 단열 감률기온 감률건조 단열 감률]일 때이며,
절대 불안정은 [기온 감률건조 단열 감률]일 때이다.
- 절대 안정일 때:
[기온 감률습윤 단열 감률]이므로 포화 상태의 공기 덩어리가 단열 상승할 때, 공기 덩어리의 온도가 기온보다 빠르게 낮아진다.
따라서 포화 상태에 관계없이 공기 덩어리의 온도가 기온보다 낮아지는 지점이 항상 존재하여 대류가 잘 일어나지 않는다.
- 조건부 불안정일 때:
[습윤 단열 감률기온 감률건조 단열 감률]이므로 포화 상태의 공기 덩어리가 단열 상승할 때는 공기 덩어리의 온도가 기온보다 느리게 낮아지고,
불포화 상태의 공기 덩어리가 단열 상승할 때는 공기 덩어리의 온도가 기온보다 빠르게 낮아진다.
따라서 포화 상태의 공기 덩어리는 공기 덩어리의 온도가 기온보다 높아지는 지점이 항상 존재하여 대류가 잘 일어나지만,
불포화 상태의 공기 덩어리는 공기 덩어리의 온도가 기온보다 낮아지는 지점이 항상 존재하여 대류가 잘 일어나지 않는다.
- 절대 불안정일 때:
[기온 감률건조 단열 감률]이므로 불포화 상태의 공기 덩어리가 단열 상승할 때, 공기 덩어리의 온도가 기온보다 느리게 낮아진다.
따라서 포화 상태에 관계없이 공기 덩어리의 온도가 기온보다 높아지는 지점이 항상 존재하여 대류가 잘 일어난다.
¶ 역전층
고도가 높아질수록 기온이 높아져 대류가 일어나지 않는 매우 안정한 상태의 기층(공기층)이다.
고도가 높아질수록 기온이 높아지므로 기온 감률이 음수이다.
따라서 [기온 감률습윤 단열 감률]이므로 절대 안정에 해당한다.
¶ 층운형 구름과 적운형 구름
층운형 구름은 가로로 넓게 층을 이루며 퍼지는 모양의 구름이고,
적운형 구름은 위로 솟아오르는 모양의 구름이다.
¶ 구름의 생성
공기 덩어리는 온도가 기온보다 높은 고도까지 스스로 상승하고, 상승하는 동안 상승 응결 고도부터 구름을 생성하기 시작한다.
아래 그림과 같이 과 의 차이가 크지 않은 경우 층운형 구름이 생성되고, 차이가 큰 경우 적운형 구름이 생성된다.
공기를 강제로 상승시킬 경우 대류에 관계없이 계속 단열 팽창하므로 보다 높은 고도까지 구름이 생성될 수 있다.
¶ 적용 문항
¶ 1번 문항
정답: $2$
ㄱ. 건조 단열 감률은 습윤 단열 감률보다 크므로 같은 고도 변화 동안 온도 변화량의 크기는 불포화 상태일 때가 포화 상태일 때보다 크다.
그림에서 ㉠은 ㉡보다 같은 고도 변화에 대한 온도 변화량이 크므로 ㉠은 건조 단열선이고, ㉡은 습윤 단열선이다. (X)
ㄴ. 역전층은 고도가 높아질수록 기온이 높아져 대류가 일어나지 않는 매우 안정한 상태의 기층(공기층)이다.
기층 는 고도가 높아질수록 기온이 높아지므로 역전층이다. (O)
ㄷ. 조건부 불안정은 [습윤 단열 감률기온 감률건조 단열 감률]일 때이고,
절대 안정은 [기온 감률습윤 단열 감률]일 때이다.
기층 에서 [기온 감률습윤 단열 감률]이므로 절대 안정이다. (X)
따라서 정답은 번이다.
¶ 2번 문항
정답: $4$
공기 덩어리는 온도가 기온보다 높은 고도까지 스스로 상승하고, 상승하는 동안 상승 응결 고도부터 구름을 생성하기 시작한다.
그러므로 지표에서 공기 덩어리의 온도를 , 이슬점을 , 상승 응결 고도를 라 하면, 이므로
,
,
,
이다.
그러므로 고도 에서 까지 상승하는 동안 건조 단열 감률만큼 공기 덩어리의 온도가 감소하고, 이후 상승하는 동안 습윤 단열 감률만큼 감소한다.
이를 정리하여 나타내면 아래 그림과 같다.
공기 덩어리의 온도가 기온보다 높은 고도는 부터 까지이므로
가 지표로부터 상승하여 생성한 구름의 두께는 이다.
따라서 정답은 번이다.