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마치 UFO같은 모양의 렌즈구름. 하와이에서 촬영. <출처 : (cc) Rootmeansquare at Wikimedia.org>
렌즈구름이라고 하는 구름이 있다. 볼록렌즈를 하나 혹은 여러 개 합쳐 놓은 듯한 모양의 구름이다. 마치 마치 UFO를 연상케 하는 독특한 형태다. 렌즈구름이 나타나면 종종 보도가 되는데, 이를 접한 사람들은 "신기하다.", " 저 안에 외계인 있을 것 같아", " 만져보고 싶네." 등의 반응을 보이기도 한다. 바람과 산이 만들어내는 오묘한 형상이라 아니할 수 없다.
구름을 만드는 난류
바람은 모든 곳에서 고르지 않다. 지형에 따라 고도에 따라 강약이 다르다. 방향도 다르다. 특히 상공 높은 곳에서는 매우 강한 바람이 소용돌이치는 곳이 있다. 기상에서는 이런 바람을 난류(Turbulance)라 부른다. 난류는 그때의 대기상태나 지형 등의 영향으로 발생한다, 하지만 국지적으로 만들어지기 때문에 눈에 보이지 않는다, 예측은 더욱 어렵다, 이 때문에 상공의 강한 난류에 휩싸이면 대형항공기도 추락하는 경우가 있다. 난류는 대기 중에서 네 가지 정도의 원인으로 만들어진다.
첫째는 산악파(mountain wave)로 불리는 산 등의 지형 영향에 의해서다. 둘째는 소나기구름 등 대류성 구름 속에서 발생한다. 이곳에서는 강한 상승기류와 하강기류가 부딪쳐 심한 난류가 만들어진다. 셋째는 전선에 의해서다. 찬 공기와 따뜻한 공기가 충돌해서 난류가 발생하기 쉽다. 넷째는 상공의 매우 높은 곳에서 불고 있는 빠른 기류에 의한 것이다. 제트기류 주변에서 나타나거나 높은 산 부근에서 발생하는 공기의 흐름이다. 앞의 난기류는 특히 고도 7,000m 이상의 구름이 없는 곳이나 높은 산 부근에서 발생한다. 난류는 눈에 잘 보이지는 않는다. 그러나 산 주변에서 공기의 흐름으로 만들어지는 경우에는 구름이 발생한다. 렌즈구름이나 모자구름, 말린 구름 등이다.
설악산 위의 렌즈 구름 <출처 : 기상청 기상사진전>
렌즈구름을 만드는 산악파
난류는 구름을 발생시키는 역할을 한다. 이 중 렌즈구름은 난류의 일종인 산악파(mountain wave)가 만든다. 산악파는 바람이 산맥을 넘을 때 지형적인 영향으로 만들어진다. 상승하는 기류가 산맥에 부딪쳐 상승기류가 만들어진다. 산을 넘은 공기는 대기상공의 바람과 만난다. 변위를 가져온 바람은 산의 풍하측에서 역학적인 이유로 소용돌이가 만들어진다. 이 공기의 파동을 산악파라고 부른다. 산악파의 소용돌이에 의해 풍하측으로 독특한 구름이 만들어진다. 산악지형으로 인해 만들어진 바람의 파가 난류를 만들고 구름을 만드는 것이다. 산악파와 그에 관련된 난류는 지상 20km 높이까지 수직적으로 올라간다. 수평으로는 풍하측으로 최대 500km 이상까지도 나타난다. 이런 산악파가 만들어지는 조건은 다음과 같다. 첫째, 산맥에 수직(측면)인 방향의 좌우 30° 이내에서 바람이 불 때다. 둘째로 산맥 정상고도에서 풍속이 10m/sec 이상이고, 고도 증가에 따라 풍속은 증가하지만 풍향 변화는 거의 없을 때 발생한다. 산맥 정상 고도와 그 상공 1000m 정도 사이의 어느 곳에 안정층이 있을 때 발생한다. 산악파가 생겼다는 사실을 가장 잘 알 수 있는 것은 구름의 발생이다. 대표적인 구름이 오늘 소개하는 렌즈구름(lenticular cloud)인 것이다.
멕시코 산 위의 렌즈구름 <출처 : (cc) Brandy Jenkins>
렌즈구름이 생기는 원리
산을 넘어가는 공기는 산악의 장애물 효과에 의해 방향과 속도에 변화가 생긴다. 산악을 넘은 공기는 중력의 힘에 의해 하강하는 기류로 변한다. 그러나 공기의 역학적인 원인으로 위쪽으로 향하려는 힘을 받는다. 이런 작용으로 바람은 산악의 풍하측에서 상하로 진동하는 운동을 가진다. 산악의 효과에 의해 생겨난 대기 파동은 기본적으로는 내부 중력파다. 그러나 산의 형상, 대기의 정역학적 안정도 및 바람의 연직분포 등에 따라 변한다. 보통 대기가 정역학적으로 안정할 때, 바람의 연직분포에 따라 산을 넘어가는 공기의 운동은 다음의 4가지 형으로 분류된다.
첫 번째가 아래그림의 경우다. 상층과 하층의 바람 차이가 크지 않고 바람도 약한 경우다
산을 넘은 공기는 풍하측에서 특별한 운동을 하지 않는다. 바람은 풍하측에서 수직운동보다는 매끄러운 층류(Laminar flow)로 분다.
두 번째가 앞의 경우보다는 수직으로 올라 갈수록 바람이 강해지는 경우다. 그림의 파선 왼쪽을 보면 고도에 따라 바람의 벡터가 그려져 있다. 그러나 수직적으로 바람의 풍속차이가 크지 않다. 이런 경우 산악을 넘은 공기가 풍하측에서 회전운동을 하면서 난류를 만든다. (기상학에서는 산의 풍하에 반대 흐름의 정체와(停滯渦, standing eddy, 소용돌이)가 생긴다고 한다) 그러나 광범위하지도 않고 강도도 약한 편이다. 따라서 이 경우에 공기가 아주 습한 경우가 아니면 렌즈구름이 만들어지지 않는다.
세 번 째 경우가 바람이 고도에 따라 급격히 풍속이 증가하는 경우다. 먼저 산악 정상 부근에 소용돌이(eddy)가 생기며 구름이 만들어진다. 삿갓구름 혹은 모자구름으로 불리는 구름이다. 그림에서는 산 정상 부근을 덮은 구름이다. 산을 넘은 바람은 풍하측에서 강한 상하운동을 하면서 소용돌이를 만든다. 산악보다 높은 곳에서 파동 위에 만들어지는 구름이 렌즈구름이다. 그리고 산악의 높이보다 낮은 곳에서 만들어지는 구름이 말린구름(rotor cloud)이다.
바람이 산악을 넘으면서 생기는 난류인 산악파가 만드는 구름 중 하나가 렌즈구름이다. 아래 그림에서 다시 상세하게 그려보았다. 렌즈구름은 산악을 넘은 공기가 상승과 하강기류로 인해 만들어진다. 산악의 높이보다 높은 곳에서 만들어지는 아름다운 구름이다. 보통 풍하측 50km정도까지 나타난다. 그러나 최고 500km 풍하측에서 발생한 경우도 있디.
렌즈구름
비교적 단순한 형태의 렌즈구름과 여러 층을 쌓은 복잡한 형태의 렌즈구름. <출처 : 기상청 기상사진전>
렌즈구름은 산맥의 풍하측에 산맥에 평행하게 규칙적인 간격의 구름의 형태로 발생한다. 렌즈구름의 유래는 체코와 폴란드의 국경에 위치하는 산맥의 북쪽 풍하파와 그것에 동반된 모아차고틀(Moazagotl) 구름에 대한 연구에서 시작되었다. 모아차고틀 라는 것은 독일과 폴란드, 체코의 국경부근을 동서로 놓여있는 산맥 위에 남풍이 부는 경우 잘 보이는 높은 구름을 의미하는 지역 방언이다. 이 구름의 출현을 악천후의 예측에 이용한 고트리이프 마츠(Gottlieb Matz)가 구름 이름을 명명한데서 유래되었다. 모아차고틀 구름의 대표적인 것은 높이 1.2~1.5km 산맥의 북쪽에 50~60km 풍하까지 넓게 나타난다.
렌즈구름은 지역에 따라, 공기의 습도에 따라, 안정도에 따라 다른 모습으로 우리에게 다가온다. 앞에서 설명한 렌즈구름 생성원인은 단순한 이론적인 것이다. 산을 넘은 공기의 파상패턴은 항상 일정하지는 않다. 따라서 렌즈구름이 다양하고 아름다운 모양의 구름이 만들어지는 것이다. 공기가 연직적으로 풍부한 습도를 포함하고 있을 경우 다층구조의 렌즈구름이 만들어진다. 드물기는 하지만 접시를 쌓아놓은 듯한 정말 아름다운 렌즈구름이 나타나기도 한다. 렌즈구름은 하층에서부터 상층까지 비교적 넓은 구역에서 발생한다. 층적운(Sc), 고적운(Ac), 상층운(Ci, Cc, Cs) 등의 구름이 포함된다. 드물게는 겨울철, 파동이 성층권까지 전달되어 높이 25~35km에서 진주모운을 만들기도 한다. 렌즈구름은 렌즈모양이나 매끄러운 받침접시 같은 모양을 가지는 특징을 가지고 있기 때문에, UFO로 오해받기도 한다. 밝은 색깔이 나타나기도 하는데, 이는 무지개빛 효과라고 불린다. 렌즈구름의 모서리를 보면 때때로 나타난다. 예보자에게는 날씨가 나빠지는 예고로도 알려져 있는 구름이다.
삿갓구름과 렌즈구름. 모두 산악파로 인해 발생하는 구름이다.
비행기 조종사는 렌즈 구름을 피한다
아름다운 꽃에는 가시가 있다는 말처럼 렌즈 구름도 아름답기만 한 것은 아니다. 렌즈구름을 만들어내는 산악파는 강한 난류를 동반하는데, 이 강한 난류는 항공기 안전에 위협을 준다. 예를 들어 공군에서는 산악파 지역의 비행 시 조종사에게 유의사항을 가르치는데, “높은 고도에 있는 렌즈형 구름, 특히 그 끝이 거칠 때 이를 피하라.”라는 내용이 있을 정도다.
난류는 어느 곳에서도 발생할 수 있지만, 해당지방의 상층 최다풍과 산맥의 방향에 따라 산악파가 현저히 발달하는 곳과 발달하지 않는 곳이 있다. 예를 들어 우리나라에서 북서풍 내지 북풍이 불 때는 대전-대구간의 항로 중 추풍령남쪽이 가장 강하며, 서풍 내지 서북풍이 불 때는 서울-강릉간의 항로 중 대관령 동해안쪽이 현저한 산악파 형성지역이 된다. 이 지역으로 렌즈구름 등이 발생할 확률이 가장 높다.
후지산 BOAC 911기 사건을 보도한 당시 신문. 항공기가 후지산 1천미터 상공에서 ‘두 손 벌리고 다이빙 하듯’ 추락했고, 사고 원인은 ‘난기류로 인한 공중 분해’ 인듯하다는 내용이 실렸다. 1966.03.06 [동아일보]
실제로 렌즈 구름을 만드는 산악파가 일으킨 사고가 있다. 1966년 일본 후지산에서 대형항공기 사고다. 사고 항공기는 영국의 BOAC Flight 911 (Boeing 707-436)로, 이 비행기는 일본 도쿄 나리타 국제공항을 출발해 홍콩으로 가는 중이었다. 사고는 후지산 풍하측에서 발생했다. 당시 항공기는 약 350kts (180km/h)의 속도, 약 4900m 높이로 비행 중이었다. 후지산의 높이는 3776m로, 항공기는 후지산 보다 1천미터 이상 높이 날고 있었지만 갑자기 후지산에 추락하고 말았다. 이 사고로 승객과 승무원 총 124명이 사망했다.
사고 후 조사 과정에서 사고 시간 30분 전 기상위성 사진에서 렌즈 모양 구름이 관측되었고, 이를 근거로 항공기가 산악파에 의한 강한 난류로 큰 손상을 받아 추락했다는 사고 원인이 도출되었다. 이 사건은 맑은 날씨에도 산악파로 인한 강한 난류로 항공기가 추락할 수 있으며, 렌즈 구름이 이런 강한 산악파를 알려주는 지시자라는 교훈을 준 사건이다.
하지만 세상 만사 예외는 있다. 항공기 조종사들은 렌즈구름을 피하려 하지만, 글라이더 파일럿들은 오히려 적극적으로 렌즈구름을 찾아내려고 한다. 렌즈구름 주위에 만들어진 강한 상승기류는 글라이더를 놀랄만한 고도로 높이 솟게 만들기 때문이다. 난류를 이용해 상승한 글라이딩 세계 기록은 거리 3000km, 고도 15460m가 최고라고 한다.
- 글 반기성 | 케이웨더 기후산업연구소장
- 연세대 천문기상학과 및 대학원 졸업하고, 공군 기상전대장과 한국기상학회 부회장을 역임했다. 현재 케이웨더 기후산업연구소장이며, 조선대학교 대기과학과 겸임교수로 있다. 연세대에도 출강하고 있다. 저서로는 [워렌버핏이 날씨시장으로 온 까닭은?], [날씨가 바꾼 서프라이징 세계사] 등 15권이 있다.
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