기온 감률

한겨울에 방 안 난로 바로 옆에 앉아 있으면 훈훈하지만, 난로에서 멀리 걸어 나가 방구석으로 가면 금세 서늘해져요. 지구 대기에서도 이와 비슷한 일이 매일 벌어지고 있어요.

지구 공기를 따뜻하게 덥히는 진짜 난로는 저 멀리 하늘에 떠 있는 태양이 아니라 태양열을 듬뿍 머금은 땅바닥이에요. 햇빛은 투명한 공기를 그대로 뚫고 지나가 바닥을 먼저 뜨겁게 달구거든요. 이후 달궈진 지표면이 거대한 온돌 매트처럼 주변 공기에 온기를 차례대로 건네줘요.

결국 높은 산이나 하늘 높이 올라가는 것은 바닥 난로에서 점점 멀어지는 셈이에요. 해와 몇 킬로미터 가까워지는 영향보다, 발밑의 따뜻한 땅에서 멀어지는 냉각 효과가 훨씬 크기 때문에 위로 올라갈수록 쌀쌀해져요. 다만 데워진 공기는 위로 올라가므로, 위가 계속 차가운 까닭은 다음에 볼 단열 팽창과 함께 봐야 해요.

이 때문에 한여름에 바닷가나 도심이 찌는 듯이 무더워도, 해발 고도가 높은 지리산이나 설악산 정상에 오르면 긴 소매 옷을 꺼내 입어야 할 만큼 기온 차이가 크게 벌어지는 것이에요.

자전거 바퀴에 바람을 넣으려고 펌프를 몇 번 힘껏 눌러 보면 펌프 몸통이 제법 뜨끈해져요. 좁은 통 안에서 공기가 꽉 눌리면 온도가 올라가기 때문인데, 반대로 눌려 있던 공기가 넓은 곳으로 풀려나며 부풀면 온도가 뚝 떨어져요.

높은 하늘은 공기를 짓누르는 무게, 즉 기압이 지상보다 훨씬 낮아요. 따라서 지표면 근처에서 따뜻해진 공기 덩어리가 바람을 타고 산을 넘거나 위로 떠오르면, 짓누르던 힘이 약해져 풍선처럼 부피가 저절로 팽창하게 돼요.

공기 덩어리가 몸집을 넓히려면 주변 공기를 힘껏 밀어내야 하는데, 이때 공기 내부의 열에너지를 소모하게 돼요. 외부에서 따로 얼음을 대지 않아도 공기 스스로 에너지를 써서 온도가 떨어지는 현상을 단열 팽창이라고 불러요.

이렇게 부피가 커지며 열을 잃은 공기는 위로 올라갈수록 점점 더 차가워져요. 기온 감률이 생기는 까닭은 난로와 멀어지는 이유도 있지만, 이처럼 공기가 팽창하면서 스스로 열을 식히는 원리도 아주 중요한 몫을 차지해요.

기상학에서는 일반적으로 100미터 올라갈 때마다 기온이 약 0.65도씩 떨어진다고 설명해요. 하지만 조금 더 정확히 들여다보면, 공기 속에 수증기가 얼마나 섞여 있느냐에 따라 기온이 떨어지는 빠르기가 크게 달라져요.

여기서 조심할 것이 있어요. 지금부터 말하는 값은 위로 떠오르는 공기 덩어리 자신이 식는 비율(단열 감률)이라서, 산을 오르며 온도계로 재는 높이별 실제 기온 차이(환경 감률)와는 다른 이야기예요. 아직 구름이 맺히지 않은 마른 공기 덩어리가 떠오르면 100미터마다 무려 1도씩 빠르게 차가워지는데, 이를 건조 단열 감률이라고 불러요. 반면 더 올라가 수증기가 포화되어 구름이 만들어지기 시작한 공기는 100미터당 약 0.4~0.7도 정도(기온이 높을수록 작아요)로 비교적 천천히 식는데, 이를 습윤 단열 감률이라고 해요.

이런 차이가 생기는 이유는 공기 속 수증기가 차가운 상공에서 물방울로 변해 구름이 될 때, 자신이 품고 있던 숨은 열을 주변에 방출하기 때문이에요. 수증기가 뿜어낸 온기가 공기가 식는 것을 뒤에서 보태주므로 기온이 덜 떨어지는 것이죠.

우리가 일상에서 말하는 0.65도는 위의 두 값을 계산해 뽑아낸 수치가 아니에요. 실제 대기를 오랫동안 관측해 정리한 평균을 바탕으로 정한 국제표준대기의 기준값이랍니다. 실제로는 날씨에 따라 달라져서, 안개가 짙거나 비가 내리는 산을 오를 때는 맑은 날보다 고도에 따른 기온 변화가 조금 더 완만하게 느껴져요.