코끼리 100마리가 하늘에 떠 있다…구름의 실제 무게는?

전형적인 적운 한 개, 물 무게만 250톤 파란 하늘에 두둥실 떠 있는 하얀 뭉게구름을 보며 "저게 얼마나 무거울까"를 진지하게 생각해본 사람은 많지 않을 것이다. 그런데 실제로 계산해보면 놀라운 숫자가 나온다. 한 변의 길이가 1㎞인 정육면체 모양의 전형적인 적운(뭉게구름)을 기준으로 계산하면, 이 구름의 부피는 10억 세제곱미터(㎥)에 달한다. 구름 안에 든 물방울의 밀도를 1㎥당 약 0.25~0.5g으로 추정하면, 이 적운 하나에 포함된 물의 무게만 약 250~500톤에 달하는 것으로 계산된다. 이는 다 자란 흰긴수염고래(대왕고래) 두 마리와 맞먹는 무게다. 물보다 더 무거운 '공기'까지 더하면 100만 톤 구름의 진짜 무게를 제대로 따지려면 물방울뿐 아니라 그 물방울들 사이를 채우고 있는 공기의 무게까지 함께 계산해야 한다. 구름이 낮은 고도에 걸쳐 있을 경우, 이 안의 공기는 1㎥당 약 1㎏의 무게가 나가는데, 이는 물보다 약 4000배나 더 무거운 수치다. 앞서 계산한 10억㎥ 부피의 적운을 기준으로 하면, 공기의 무게만 10억㎏, 즉 100만 톤에 달한다. 물의 무게(약 250톤)와 공기의 무게(약 100만 톤)를 모두 더하면, 전형적인 적운 하나의 총무게는 100만 250톤에 이른다는 계산이 나온다. "그럼 왜 안 떨어지나요?"…공기가 물방울을 떠받치는 원리 이렇게 무거운 덩어리가 어떻게 하늘에 둥둥 떠 있을 수 있을까. 답은 바로 그 무거운 공기 자체에 있다. 구름 속 미세한 물방울들은 저마다 매우 가벼워서, 지속적으로 상승하는 공기 흐름(상승기류)에 의해 아래에서 떠받쳐지고 있는 상태다. 물방울 하나하나는 중력에 의해 떨어지려 하지만, 그보다 강한 상승기류와 공기 자체의 부력이 이를 상쇄시키기 때문에 구름 전체가 공중에 떠 있는 것처럼 보이는 것이다. 즉 구름은 '무게가 없어서' 떠 있는 것이 아니라, 무게를 지탱할 만큼 강한 힘이 아래에서 작용하고 있어서 떠 있는 것이다. 뇌운은 물만 200만 톤…적운의 8배 구름의 종류에 따라 무게 차이는 극적으로 벌어진다. 천둥·번개를 동반하는 뇌운(적란운)은 높이와 폭이 각각 약 10㎞에 달할 정도로 거대한데, 물 함유량도 훨씬 많아 1㎥당 약 2g의 물을 포함하는 것으로 추정된다. 이를 기준으로 계산하면 뇌운 하나에 포함된 물의 무게만 약 200만 톤에 달하는데, 이는 앞서 계산한 적운(250톤)의 8000배에 이르는 수치다. 뇌운이 그토록 강한 비를 퍼붓는 이유도 바로 이렇게 압축된 물의 양 때문이다. 여기에 공기 무게까지 더하면 뇌운 전체의 무게는 10억 톤에 달하며, 하늘 전체를 뒤덮는 회색 층운(구름층)의 경우 무려 500억 톤에 이를 것으로 추산된다. 구름 크기 자체가 '고무줄'…계산의 전제부터 다르다 구름은 정해진 표준 크기가 없는 자연현상이기 때문에, 어떤 구름을 기준으로 삼느냐에 따라 계산 결과가 크게 달라진다. 실제로 적란운의 경우 한 변의 길이가 2~10㎞까지 다양하고, 태풍이 동반하는 거대한 구름대는 한쪽 끝에서 반대쪽 끝까지의 거리가 1000㎞에 달하기도 한다. 이 때문에 전문가들은 계산의 편의를 위해 '한 변이 1㎞인 정육면체 적운'처럼 지나치게 크지도 작지도 않은 특정 기준을 설정해 무게를 추산하는 방식을 사용한다. 즉 앞서 소개된 '250톤'이나 '100만 톤' 같은 수치는 절대적인 정답이 아니라, 특정 조건을 가정했을 때의 근사치라는 점을 이해할 필요가 있다. "구름의 종류와 조건에 따라 천차만별인 무게" 과학자들은 이런 구름 무게 계산이 대기 중 수증기량과 강수 가능성을 가늠하는 데도 실질적인 의미를 지닌다고 본다. 구름 한 덩이의 무게가 코끼리 수백 마리에 맞먹는다는 사실은 놀랍지만, 동시에 그만큼 많은 양의 공기가 이를 떠받치고 있다는 물리적 균형의 결과이기도 하다. 하늘을 올려다볼 때 무심코 지나치는 뭉게구름 하나에도, 수백 톤에서 수십억 톤에 이르는 물과 공기가 균형을 이루며 떠 있다는 사실을 알아두면, 평범한 하늘 풍경도 조금은 다르게 보일 수 있다.