우박, 왜 갑자기 하늘에서 얼음이 떨어질까?
우박은 봄, 가을에 갑자기 쏟아져 농작물과 자동차, 건물에 큰 피해를 주기도 하는데요. 얼음덩어리가 어떻게 하늘에서 떨어지는지 궁금하지 않으신가요? 오늘은 우박이 만들어지는 과정을 쉽고 합리적으로 알아보겠습니다.
우박의 탄생, 적란운에서 시작된다
우박은 주로 대기 상층의 온도가 영하로 매우 낮은 환경에서 형성됩니다. 구체적으로, 우박이 만들어지는 구름(적란운)의 상층부 온도는 대략 -5℃에서 -10℃ 정도입니다. 이 온도 구간에서 상승기류를 타고 올라간 물방울이 얼어붙으면서 우박의 씨앗이 만들어지고, 이후 초과냉각된 물방울과 충돌하며 점점 더 커집니다.
또한, 기상 관측에서는 500hPa(고도 약 5~6km) 부근의 대기 온도가 -10℃ 이하일 때 우박이 발생할 가능성이 높다고 분석합니다. 실제로 우리나라에서 우박이 자주 발생하는 봄과 가을에는, 상층(500hPa)과 중상층(400hPa) 사이의 기온차가 10~11℃ 이상 벌어지고, 이때 상층 온도가 -10℃ 이하로 내려가는 경우가 많습니다
우박이 만들어지는 단계별 과정
따뜻한 공기의 상승
지상에서 따뜻한 공기가 위로 빠르게 올라가면서 구름 속에 들어갑니다. 이때 공기는 점점 차가워져서 수증기가 작은 물방울로 응결됩니다.
물방울의 얼음 알갱이로 변신
상승기류를 타고 구름의 상층, 즉 영하의 온도에 도달한 물방울은 얼어붙어 작은 얼음 알갱이(빙정)가 됩니다.
얼음 알갱이의 성장
얼음 알갱이는 강한 상승기류에 의해 구름 속을 위아래로 오르락내리락하면서, 주변의 초과냉각된 물방울(영하에서도 얼지 않은 물방울)과 부딪혀 점점 더 두꺼운 얼음층을 쌓아갑니다. 이 과정이 반복되면 우박은 마치 양파처럼 여러 층을 가진 구조로 커집니다.
지상으로 낙하
우박이 충분히 커지고 무거워지면, 더 이상 상승기류가 떠받치지 못해 중력에 이끌려 땅으로 떨어집니다. 이것이 우리가 경험하는 우박입니다.
우박이 커지는 이유와 계절
상승기류가 강할수록 우박은 더 오래 구름 속을 오르내리며, 더 많은 얼음층을 쌓아 크고 무거워집니다.
봄과 가을에 우박이 자주 내리는 이유는, 지상은 따뜻하고 상공은 찬 공기가 자주 만나 대기 불안정이 심해지기 때문입니다. 겨울에는 지상도 차가워서 우박이 잘 생기지 않습니다.
우박의 위험성과 생활 속 주의점
우박은 크기가 작으면 별 문제가 없지만, 골프공만 한 우박이 떨어질 때도 있어 차량, 유리창, 농작물에 큰 피해를 줄 수 있습니다. 우박 예보가 있다면 실내로 대피하고, 차량은 가급적 실내 주차장에 두는 것이 좋습니다.
우박의 충격력은 얼마나 될까?
우박의 충격력은 우박의 크기, 무게, 낙하 속도에 따라 크게 달라지며, 일반적으로 크기가 클수록 충격력도 기하급수적으로 커집니다. 우박이 지면에 떨어질 때의 속도(종단속도)는 대기 저항과 우박의 질량, 단면적 등에 의해 결정되며, 대형 우박의 경우 그 충격력은 매우 위험한 수준에 도달할 수 있습니다.
우박의 크기 (직경): 우박의 크기가 클수록 질량과 운동 에너지가 증가하여 충격력이 커집니다. 예를 들어, 1인치 우박은 약 50 mph의 속도로 낙하하며 1 foot-pound 미만의 충격 에너지를 갖는 반면, 3인치 우박은 약 90 mph의 속도로 낙하하며 120 foot-pounds의 충격 에너지를 가집니다. 충격 에너지는 우박 크기의 증가에 따라 기하급수적으로 증가합니다.
낙하 속도 (종단 속도): 우박의 낙하 속도가 빠를수록 충격력이 커집니다. 낙하 속도는 우박의 크기, 모양, 밀도, 공기 저항, 바람의 영향, 녹는 정도 등에 따라 달라집니다. 일반적으로 큰 우박일수록 종단 속도가 빠릅니다. 예를 들어, 직경 1cm의 우박은 약 9 m/s (20 mph)로, 직경 8cm의 우박은 약 48 m/s (110 mph)로 낙하할 수 있습니다.
우박의 밀도: 우박의 밀도는 얼마나 단단한지를 나타냅니다. 밀도가 낮은 우박은 공기 방울을 많이 포함하여 더 부드럽고 가벼우며 손상을 덜 일으킬 수 있습니다. 반대로 밀도가 높은 우박은 더 단단하고 파괴력이 큽니다.
바람의 속도: 강한 바람은 우박의 낙하 각도와 속도를 변화시켜 충격력을 증가시킬 수 있습니다. 바람에 의해 측면으로 날아오는 우박은 수직으로 떨어지는 우박보다 더 큰 손상을 입힐 수 있습니다. 실험 연구에 따르면, 바람 속도가 증가하면 우박의 최대 충격력이 최대 18.9%까지 증가할 수 있습니다.
충돌 각도: 우박이 표면에 부딪히는 각도에 따라서도 충격력과 손상 정도가 달라질 수 있습니다.
표면의 재질 및 상태: 우박이 충돌하는 표면의 재질, 경도, 그리고 기존의 손상 여부에 따라 손상 정도가 달라집니다. 예를 들어, 오래되거나 약해진 지붕은 우박에 더 취약할 수 있습니다.
일반적인 우박 충격력 예시:
2.4cm 우박의 경우, 바람이 없을 때 약 110.9 N(약11kg)의 최대 충격력을 나타냅니다.
2.8cm 우박의 경우, 바람이 없을 때 약 139.7 N (약14kg) 의 최대 충격력을 나타냅니다.
3.2cm 우박의 경우, 바람이 없을 때 약 159.2 N (약16kg) 의 최대 충격력을 나타냅니다.
이러한 충격력은 지붕, 차량, 창문, 외벽 등 다양한 구조물에 손상을 입힐 수 있으며, 농작물이나 인명에도 피해를 줄 수 있습니다. 따라서 우박의 위험성을 인지하고 예방 및 대비하는 것이 중요합니다.
우박은 단순히 '갑자기 내리는 얼음'이 아니라, 대기 속에서 따뜻한 공기, 찬 공기, 강한 상승기류, 그리고 구름 속 물방울과 얼음 알갱이의 복잡한 상호작용이 만들어내는 자연의 신기한 현상입니다. 앞으로 우박이 내릴 때, 그 속에 숨겨진 과학을 떠올려보세요!