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- 지구에 내리는 비의 대부분은 낮은 고도의 적운에서 내린다.
- 얼음 결정과 같은 응결핵 없이 단 몇 분 만에 빗방울이 형성되는 것은 여전히 미스터리
- 클라우드카이트는 헬륨 풍선에 매달린 연으로 구성, 최대 1.4km 고도까지 측정장비 운반
- 따뜻한 비구름 내부는 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 구조적이고 불규칙적

비구름의 미스터리가 풀렸을까?

비가 내리려면 작은 구름 방울들이 모여 더 큰 방울을 이루어야 한다. 하지만 따뜻하고 낮은 고도의 비구름에서 이러한 현상이 어떻게 일어나는지는 오랫동안 미스터리로 남아 있었다. 그런데 특수 제작된 "구름 연"에서 얻은 데이터가 이 수수께끼를 풀 수 있을지도 모른다. 이 데이터는 구름 방울들이 밀집된 고온 영역을 형성하고, 이곳에서 방울 성장에 이상적인 조건이 조성된다는 것을 보여준다. 이는 이러한 구름에서 비가 형성되는 원리를 설명해 줄 수 있다. 

▲ 낮게 깔린 따뜻한 비구름이 지구 강수량의 대부분을 차지한다. 하지만 이러한 구름 속에서 비가 어떻게 형성되는지는 지금까지 명확하게 밝혀지지 않았다. pixabay

열대 지방이든 지구든, 지구에 내리는 비의 대부분은 낮은 고도의 적운에서 내린다. 하지만 이렇게 따뜻하고 얼음이 없는 비구름에서 어떻게 강수가 형성되는지는 수십 년 동안 풀리지 않는 수수께끼였다. 분명한 것은 작은 구름 방울들이 서로 충돌하여 공기 저항을 이겨내고 지면으로 떨어질 만큼 충분히 커져야 한다는 것이다. 하지만 얼음 결정과 같은 응결핵 없이 어떻게 단 몇 분 만에 빗방울이 형성될 수 있는지는 여전히 미스터리로 남아 있다.

문제는 구름 방울이 약 30~80마이크로미터 크기에 도달하면 성장이 느려지고 서로 충돌하는 경우가 드물다는 것이다. 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 동역학 및 자기조직화 연구소의 비르테 티데(Birte Thiede)와 그의 동료들은 "따라서 핵심 질문은 이 방울들이 어떻게 이러한 '병목 현상'을 극복하고 비가 형성되는가 하는 것이다"고 설명했다. 이러한 좁은 영역에도 불구하고, 깊은 비구름 내부에는 난류가 존재하여 구름 방울들이 서로 충돌하게 된다는 가설이 그럴듯해 보인다.

측정 도구로서의 "구름 연"

그러나 기상학자들은 수십 년 동안 따뜻한 비구름 속 구름 방울의 행동을 규명하려고 노력해 왔지만, 그 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 그 이유 중 하나는 측정 방법의 한계였다. 항공기는 크고 고해상도의 측정 장비를 구름 속으로 운반할 수 있지만, 빠른 속도 때문에 소규모 측정이 어렵다. 드론은 더 많은 가능성을 제공하지만, 소형 장비만 탑재할 수 있고 회전 날개 자체가 난류를 발생시킨다. 이 때문에 비구름 내부의 공기 흐름을 정밀하게 측정하는 것은 불가능했다.

티데와 그녀의 연구팀은 이 난제를 해결할 방법을 찾아냈다. 바로 막스 플랑크 연구소에서 개발한 풍선 연을 이용한 구름 측정이다. "클라우드카이트(CloudKite)"는 헬륨 풍선에 매달린 연으로 구성되어 있으며, 여러 측정 장비를 최대 1.4km 고도까지 운반할 수 있다. "클라우드카이트"는 구름 속을 초당 약 10m의 비교적 느린 속도로 활공하기 때문에 난류를 거의 발생시키지 않아 미세한 구조까지 정확하게 포착할 수 있다.

가장 작은 물방울과 난류의 모습

이 비행 관측소의 핵심에는 기존의 기상 센서 외에도 강력한 레이저와 고속 카메라를 갖춘 두 개의 광학 이미징 시스템이 있다. 첫 번째 카메라는 개별 구름 방울의 크기와 3차원 위치를 초당 75회 촬영할 수 있다. "이를 통해 12cm 거리에서 측정이 가능해졌다. 이는 기존 항공 관측보다 약 250배 더 ​​빈번한 측정이다"고 티데의 동료인 에버하르트 보덴샤츠(Eberhard Bodenschatz)는 설명했다.

▲ 연구원들이 연구선에서 풍선 연을 띄운 다음 구름 속으로 천천히 끌어당기고 있다. — © 막스 플랑크 동역학 및 자기조직화 연구소

이 비행 관측소의 핵심은 기존의 기상 센서 외에도 강력한 레이저와 고속 카메라를 갖춘 두 개의 광학 이미징 시스템이다. 풍선 연에 장착된 두 번째 광학 장비는 입자 이미징 속도계(PIV)로, 가장 작은 입자의 움직임을 기반으로 강우 구름 내부의 난류를 측정한다. 따라서 이 두 장비를 통해 마이크로미터에서 킬로미터에 이르는 규모에서 구름의 미세 물리적 특성과 난류를 포착할 수 있다. "클라우드카이트는 구름 관측을 위한 완전히 새로운 창을 열어준다"고 보덴샤츠는 말했다.

연구진은 이번 연구를 위해 바베이도스 해안에서 클라우드카이트를 발사하고 연구선 뒤에 긴 줄로 연결하여 견인했다. 클라우드카이트 플랫폼은 이 지역의 낮게 깔린 적운 사이를 천천히 이동했다. 이를 통해 연구팀은 이처럼 낮게 깔린 비구름의 내부 구조를 전례 없는 수준으로 자세히 조사할 수 있었다.

비구름 속 숨겨진 "덩어리"

분석 결과 놀라운 사실이 드러났다. 이전 측정에서는 구름 속 물방울들이 비교적 균일하게 분포되어 있는 것으로 나타났지만, 풍선 연을 이용한 측정은 전혀 다른 양상을 보여주었다. 고해상도 측정 결과에 따르면, 구름 속 물방울들은 1미터 미만의 작은 영역, 즉 물방울들이 매우 밀집된 "핫스팟"을 형성하는 것으로 나타났다. 티데와 동료들은 "여기서 관찰된 응집 현상은 이전에 보고된 것보다 5~10배 더 강하다"고 밝혔다.

연구 결과에 따르면, 따뜻한 비구름 내부는 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 구조적이고 불규칙적인 것으로 나타났다. 이러한 물방울 밀도 집중 지점은 상대적으로 크기가 작아 기존 측정 방식으로는 감지할 수 없었다. 그러나 연구진은 아직 이러한 집중 현상의 원인을 명확히 밝혀내지 못했다. 초기 분석 결과, 이러한 집중 현상은 물방울 자체의 특성 때문이 아니라 비구름 내부의 미세한 공기 흐름 때문인 것으로 추정된다.

물방울 집중 지점이 강우를 유발하는 것일까?

중요한 점은, 이전에는 알려지지 않았던 따뜻한 비구름 내부 구조가 구름 속 물방울에서 비가 형성되는 과정을 설명할 수 있다는 것입니다. 티데 연구원은 "물방울들이 그곳에서 뭉치면서 충돌 가능성이 훨씬 높아진다"며, "따라서 이러한 국지적인 집중 지점이 얕은 적운에서 비가 내리기 시작하는 지점일 수 있다"고 설명했다. 즉, 따뜻한 비구름에서 발생하는 강수는 이러한 작은 규모의 "불규칙한" 물방울 분포와 관련이 있을 가능성이 높다.

이는 연구자들이 수십 년 동안 풀리지 않았던 '따뜻한 비구름'의 수수께끼를 해결했을 가능성을 시사한다. 하지만 구름 속에서 물방울이 집중되는 지점이 정확히 어떻게 형성되는지, 그리고 그러한 물방울 밀집 현상이 언제 어디서 발생하는지는 무엇에 의해 결정되는지 등 몇 가지 의문점이 남아 있다. 티데 교수 연구팀은 이러한 질문에 답하기 위해 클라우드카이트 관측소를 이용한 추가 현장 연구를 계획하고 있다.

"따뜻한 구름의 숨겨진 구조를 밝혀내는 것은 강우 형성 과정을 더 잘 이해하고 더욱 정확한 일기 예보를 하는 데 도움이 될 것이다"고 수석 저자인 골람호세인 바게리 교수는 설명했다.

출처: Birte Thiede (Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Göttingen) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; doi: 10.1073/pnas.2602976123

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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