뇌운(Thundercloud), 성층권으로 초당 7 톤 물 수송

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-11 20:06:15
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* 약 10km 높이에서 시작되는 성층권, 기후와 극 소용돌이 같은 대규모 기류에 중요한 역할
* 성층권이 극도로 건조하고 추운 이유, 온실가스, 오염 물질 또는 물은 더 상승할 수 없다.
* 전체 성층권 물의 18%는 열대성 폭풍만으로 도달 가능
* 약한 성층권 바람이 있더라도 단일 AACP 뇌운은 초당 약 1.3톤의 수증기를 성층권으로 운반

물 펌프로서의 뇌운(Thundercloud)
"수압 점프"는 물을 성층권으로 운반한다.


난기류 수송:
큰 뇌우로 이루어진 우뚝 솟은 구름은 엄청난 양의 물을 성층권으로 수송한다. 단일 구름은 초당 7 톤의 물을 높은 대기로 펌핑할 수 있다. 이것이 어떻게 일어나는지, 연구원들은 최근 측정 데이터와 모델의 도움으로 밝혀냈다. 이에 따르면 구름의 꼭대기는 수압 점프를 유발하는 난기류를 일으킨다. "Science" 팀에 따르면 이로 인해 얼음과 물이 매우 높은 곳으로 주입된다. 

▲ 끝이 성층권에 도달하는 뇌운의 꼭대기의 모습 - 이러한 구름 탑은 거대한 펌프처럼 많은 양의 물을 성층권으로

운반한다. © NASA / JSC

 

약 10km 높이에서 시작되는 성층권은 우리를 보호하는 오존층이 있는 곳일 뿐만 아니라 기후와 극 소용돌이와 같은 대규모 기류에도 중요한 역할을 한다. 일반적으로 경계층, 대류권계면에 의해 하층 대기와 거의 완전히 분리되어 있다. 온실가스, 오염 물질 또는 물은 더 상승할 수 없다. 이것이 성층권이 극도로 건조하고 추운 이유다.

그러나 대류권계면의 장벽을 깨뜨릴 수 있는 이벤트가 있다.
여기에는 화산 폭발로 인한 분출 구름뿐만 아니라 일부 특히 강한 뇌우로 인한 우뚝 솟은 구름도 포함된다. 과학자들은 그러한 슈퍼셀 뇌우가 수증기와 얼음을 성층권으로 가져올 수 있다고 오랫동안 의심해 왔다. 따라서 전체 성층권 물의 18%는 열대성 폭풍만으로 거슬러 올라갈 수 있다.

권운이 알려주는 내용

문제는 이것이 정확히 어떻게 발생하고 그러한 뇌우가 공기 중으로 펌프질할 수 있는 물의 양은 지금까지 불분명한 상태로 남아 있다는 것이다. 그래서 스탠포드 대학의 모건 오닐(Morgan O'Neill)과 그녀의 동료들은 레이더 데이터와 모델 시뮬레이션을 사용해 그러한 구름 타워의 상단 부분에서 프로세스를 더 자세히 조사했다.

 

그들의 분석은 모루 모양의 구름 끝 부분에 베일이 여전히 형성되어 있는 소위 AACP(Above-Anvil-Cirrus-Plumes)에 초점을 맞췄다.

▲ 지구 대기층

“AACP는 훨씬 더 큰 모루 구름 위로 몇 킬로미터 돌출된 얇은 권운으로 구성되며 종종 위성 이미지에서 볼 수 있다. 그것은 낮은 성층권으로 확장돼 바람의 방향으로 퍼진다”고 연구원들은 설명했다. 그들의 모델에서 그들은 AACP가 성층권과 경계층의 기류에 미치는 영향을 재구성했다.

구름 꼭대기가 유압 점프를 유발합니다.

분석 결과 뇌우의 구름 끝이 성층권 하부로 침투하면 높이가 최대 15km에 달하는 높은 산기슭을 형성하는 것으로 나타났다. 그곳에서 그것은 지형적 장벽처럼 작용하고 성층권 해류의 흐름을 방해한다. 이것은 시뮬레이션이 보여주듯이 이러한 구름 확장의 바람이 불어오는 쪽에서 난기류의 형성으로 이어진다. 

▲ 구름 꼭대기에서 바람이 불어오는 쪽에 거대한

공기 실린더(주황색) 형태의 유압 점프 형성. 

© Leigh Orf/ UW-Madison


O'Neill과 그녀의 팀은 "성층권의 공기가 느려지고 구름 꼭대기의 바람이 불어오는 쪽의 깊숙한 곳으로 떨어진다"고 보고했다. 둑 뒤의 물 롤과 유사하게 이것은 수력학적 점프를 초래한다. 차갑고 건조한 성층권 공기가 대류권의 더 습한 공기 덩어리와 혼합되는 일종의 공기 롤이 생성된다.

초당 7 톤 이상의 물

연구원들에 따르면, 이 수압 점프는 뇌운이 성층권으로 물을 주입하는 펌프이며 모델이 보여주듯 비교적 많은 양이다. 비교적 약한 성층권 바람이 있더라도 단일 AACP 뇌운은 초당 약 1.3톤의 수증기를 성층권으로 운반한다. 팀은 “예상치 못한 큰 양이다”고 말했다.

그러나 성층권의 바람이 초당 30미터 이상으로 불면 구름 장애물이 더 큰 수압 점프를 만든다. 결과적으로 난기류는 더 강해지고 더 많은 물이 찢어진다. 시뮬레이션에서는 초당 7.6톤의 수증기였다. O'Neill과 그녀의 동료들은 "이것은 이러한 프로세스의 시뮬레이션에서 달성한 가장 높은 가치다"고 말했다.

실시간 관찰 필요

연구팀에 따르면 이러한 과정, 특히 수력학적 점프는 강한 뇌우가 물을 성층권으로 운반할 수 있는 방법을 알려준다. 그들은 이제 미래의 관찰이 이러한 메커니즘이 살아 있음을 보여주고 이 탁한 물 펌프의 양과 강도에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있기를 바란다.

과학자들은 "AACP 생성 뇌우를 가까이서 관찰하는 표적 현장 캠페인은 폭풍 끝에서의 물리학을 훨씬 더 잘 좁힐 수 있고 또한 수증기가 성층권으로 유입되는 기여도를 더 잘 정량화할 수 있다"고 기술했다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abh3857)
출처: American Association for the Advancement of Science (AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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