물방울 덩어리인 구름이 떨어지지 않고 떠 있는 이유

구름이 떨어지지 않는 것은 구름을 이루는 물방울이 너무 작아서 공기 속에서 아주 천천히 떨어지고, 구름이 생기는 곳에서는 대개 공기가 위로 올라가며 그 느린 낙하를 받쳐 주기 때문이다. 구름 속 물방울은 지름이 대략 100분의 1밀리미터 안팎으로 빗방울보다 백 배쯤 작다. 이런 물방울은 크기에 따라 1초에 몇 밀리미터에서 1센티미터 정도밖에 떨어지지 않아서, 약한 상승 기류만 있어도 하늘에 머무를 수 있다.

구름은 생각보다 무겁다

뭉게구름 하나에 들어 있는 물의 양을 어림해 보면 놀라운 숫자가 나온다. 구름 1세제곱미터에는 물이 대략 0.5그램 들어 있다. 가로, 세로, 높이가 각각 1킬로미터인 구름이라면 부피가 10억 세제곱미터이므로 물의 양은 수백 톤에 이른다. 그런데도 구름이 떠 있는 것은 그 물이 하나의 덩어리가 아니라 셀 수 없이 많은 아주 작은 물방울로 흩어져 있기 때문이다.

같은 양의 물이라도 작은 방울로 나누면 공기와 맞닿는 면적이 크게 늘어난다. 물방울이 떨어질 때는 공기가 그 표면을 붙잡는 저항을 받는데, 방울이 작을수록 무게에 비해 저항이 커진다. 그래서 작은 물방울은 금방 더 빨라지지 못하고, 아주 느린 일정한 속도로 내려앉는다. 이를 종단 속도라고 한다.

방울의 크기가 속도를 정한다

물방울	지름	떨어지는 속도
구름 방울	약 0.01~0.02밀리미터	초속 몇 밀리미터~1센티미터
이슬비 방울	약 0.5밀리미터	초속 2미터 정도
큰 빗방울	약 2밀리미터	초속 6~7미터 정도

구름 방울이 1킬로미터를 떨어지려면 하루가 넘게 걸린다. 게다가 구름 아래쪽 공기가 건조하면, 떨어지던 작은 방울은 땅에 닿기 훨씬 전에 증발해 버린다. 구름의 밑면이 칼로 자른 듯 평평하게 보이는 것은, 그 높이 아래로 내려온 물방울이 다시 수증기로 돌아가기 때문이다.

올라가는 공기가 받친다

구름은 대개 공기가 위로 올라가는 곳에서 생긴다. 햇볕에 데워진 땅 위의 공기가 떠오르거나, 바람이 산을 타고 넘거나, 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 밀려 올라갈 때다. 공기는 올라가면서 팽창하고 식어, 품고 있던 수증기가 작은 먼지 알갱이를 중심으로 엉겨 물방울이 된다. 이렇게 구름을 만든 상승 기류가 계속 이어지는 동안, 초속 1센티미터도 안 되게 떨어지는 물방울은 오히려 위로 실려 올라가기도 한다.

뭉게구름이 맑은 날 오후에 부풀어 오르는 것도 땅이 데워져 상승 기류가 강해지기 때문이다. 해가 지고 땅이 식으면 상승 기류가 약해지고, 구름은 흩어지거나 납작해진다.

비가 되려면 백만 배로 커져야 한다

구름 방울이 빗방울이 되려면 부피가 백만 배쯤 커져야 한다. 수증기가 방울 표면에 하나씩 달라붙는 방식으로는 이렇게 크게 자라는 데 너무 오래 걸린다. 따뜻한 구름에서는 조금 큰 방울이 떨어지면서 작은 방울들과 부딪혀 합쳐지는 과정이 빗방울을 키운다. 큰 방울일수록 빨리 떨어지며 더 많은 방울을 쓸어 담아 점점 빨리 자란다.

높은 곳의 차가운 구름에서는 다른 과정이 중요하다. 영하의 구름 속에는 얼지 않은 물방울과 얼음 알갱이가 함께 있는데, 얼음 위에는 물방울 위보다 수증기가 더 쉽게 달라붙는다. 그래서 얼음 알갱이가 주변 물방울의 수증기를 빼앗아 빠르게 자라고, 무거워진 얼음이 떨어지며 녹으면 비가 된다. 중위도 지역에 내리는 비의 상당 부분은 이렇게 얼음에서 시작된다.

남은 질문

구름 방울이 언제 빗방울로 바뀌는지를 정확히 계산하는 것은 지금도 일기 예보와 기후 모형의 큰 과제다. 구름 속에서 일어나는 충돌과 얼음의 성장은 아주 작은 규모에서 벌어지는 일이라, 지구 전체를 계산하는 모형은 이를 어림식으로 처리할 수밖에 없다. 또 공기 중 먼지와 오염 입자가 늘면 물방울이 더 많고 더 작게 생겨 비가 늦어진다는 관찰도 있다. 구름이 지구를 식히는지 데우는지는 그 크기와 높이에 따라 달라서, 기후 변화 속에서 구름이 어떻게 바뀔지는 기후 과학의 가장 큰 불확실성으로 꼽힌다.