인공 강우의 원리

[김동석]

인공강우의 원리

인공강우는 기상조절(Weather modification)의 한가지 방법이므로 기상조절에는 인공강우, 안개소산, 우박억제, 태풍 세력약화, 낙뢰억제 등이 있으며 의도적이거나 또는 비의도적인 기상조절을 모두 포함하며 계획에 의한 인공강우는 의도적 기상조절에 속한다. 혹 인공강우의 결과 예기치 못한 기후의 변화가 나타났다든지 또는 대기오염 방출로 기후변화가 나타나는 경우 이들은 비의도적인 기상조절에 속한다. 여기서는 의도적인 기상조절로서의 인공강우의 원리에 대해 간략히 소개하고자 한다.

지표면의 물이 햇빛을 받아 증발하여 수증기 상태로 공기 중에 유입되고, 그 공기가 상승 기류에 의해서 혹은 산맥 등의 지형에 의해서 강제적으로 수직 상승하게 될 때 이들은 주위와의 열교환없이 단열팽창하게 된다. 공기의 온도는 하강하게 되고, 이때의 기온감율은 100m마다 0.7∼1.0℃이다. 이렇게 상승한 공기는 포화상태에 이르게 되고, 이는 작은 불순물 입자를 중심으로 응결되어 작은 구름입자를 형성하게 된다. 이런 구름 입자의 중심이 되는 작은 불순물을 응결핵(condensation nuclei)이라 한다. 이들 구름입자의 평균크기는 10∼20 ㎛ 정도이며 대부분 그 크기가 너무 작아 빗방울로 지상에 낙하하지는 못한다.

구름입자가 작은 물방울이 되어 지상에 떨어지려면 그 크기가 구름입자크기의 100만 배인 2㎜ 는 되어야 한다. 대기 중 구름입자는 주로 다음 2가지 과정을 통해 빗방울로 전환되어 강우가 생성된다. 첫번째가 빙정과정(ice crystal process)이고 두번째가 충돌?응집과정(collision- coalescence process)이다.

작은 구름입자는 대부분 0℃ 이하의 저온에서도 얼지 않고 물방울 상태로 존재하며 0℃이하의 이러한 물방울을 과냉각 물방울(supercooled droplet)이라 한다. 대기 중에서 구름입자는 -20℃까지의 온도에서도 보통 과냉각 물방울 상태로 존재하게 된다. 극단적인 경우 -40℃ 까지도 과냉각 물방울 상태의 구름입자가 존재할 수 있게 된다. -40℃ 아래에서 작은 구름입자는 균일 빙결(homogeneous freezing)에 의해 얼어서 얼음입자가 된다.

균일 빙결에 의한 얼음 입자의 형성은 -40℃ 이하의 낮은 온도에서나 가능하나 실제로 대기 중에는 빙정핵이 존재하여 0℃ 이하에서도 빙정핵을 중심으로 이질 빙결(heterogeneous freezing) 에 의해 수분이 응결하여 얼음입자를 형성하게 된다. 공기 중에 많이 떠 있는 미세한 먼지와 같은 불순물들은 온도가 비교적 높을 때에는 응결핵으로 작용하다가도 온도가 휠씬 더 낮아지면 빙정핵으로 작용하기도 하고 또 어떤 물질의 불순물은 처음부터 빙정핵으로 활성화하기도 한다. 자연상태에서도 구름의 과냉각 물방울의 일부가 얼어 얼음입자가 되기도 하고 또 온도가 낮아지면 모두 얼음입자가 되어 버리기도 한다.

이와 같이 실제 대기 중 영하의 온도에서 자연 불순물 중에서 빙정핵으로 빙정핵이 충분히 존재해야 구름입자가 얼음입자로 변환하게 된다. 그러나 실제 대기 중 영하의 온도에서 자연 불순물 중에서 빙정핵으로 작용하는 물질이 적어 대부분의 경우 과냉각 물방울로 공중에 떠 있게 된다. 과냉각 물방울로 구성된 구름에 빙정핵이 투입되면 0℃ 이하 온도에서는 얼음표면에 대한 포화수증기압이 물표면에 대한 것보다 작아서 과냉각 물방울은 증발하고 그 대신 빙정은 빨리 성장하게 되는데 이러한 효과로 빙정이 상대적으로 큰 구름입자로 성장하게 된다. 성장한 입자는 자연 낙하하면서 다른 과냉각 입자들과 충돌 병합하면서 급격하게 더욱 크게 성장하여 눈송이가 되어 지상에 떨어지거나 지상에 도달하기 전에 0℃이상의 대기층을 통과하여 녹으면서 빗방울이 되어 떨어진다(그림).

한랭구름에서의 인공강우 방법은 과냉각 구름입자 중에 인공 빙정핵을 투입하거나 드라이아이스를 뿌려 균일 빙결이 일어나게 유도하여 그 주위의 과냉각 구름입자로부터 빙정으로 수분이 옮겨오게 하여 강우를 생성하게 하는 것이다.

두 번째 강우형성의 과정은 0℃ 이상의 기온에서 구름입자들 사이의 충돌?응집과정(collision-coalescence process)에 의한 것이다. 온난구름(warm cloud)에서 빙정이 없어도 강수가 발생하는 것은 에어로솔 중 거대핵(특히 해염입자) 주위에 수증기가 응집되면 물방울 자체가 처음부터 클 뿐 아니라 해염입자를 핵으로 한 물방울은 친수성 입자이기 때문에 수증기의 응결이 더 활성화되어 크게 성장한다. 이렇게 커진 물방울은 대기난류를 통해 주위의 작은 물방울에 대해 상대운동을 할 기회가 많아져서 작은 물방울과 충돌?응집과정을 거쳐 물방울이 급속히 커져서 빗방울 크기가 되면 낙하하게 된다(그림). 거대핵은 대부분 바다에서 발생하는 해염핵인데 해염핵의 수는 바람에 의해 용동하는 해수면의 상태에 따라 결정되기 때문에 바람이 심한 경우에 많이 발생한다. 온난구름에서의 인공강우는 구름 속에 거대핵이나 소금가루 등의 친수성 물질을 뿌려 처음부터 비교적 큰 물방울이 생기게 하거나 또는 처음부터 빗방울에 버금가는 물방울을 뿌려 줌으로써 많은 강수가 유발되도록 하는 것이다.

< 빙정과정과 충돌, 응집과정에 의한 강우 현상 >

인공증우를 위한 구름 씨뿌림의 방법은 구름의 종류와 구름씨의 성질에 따라 달라진다. 온난구름의 경우는 흡습성이 큰 친수성 입자를 항공기가 구름 속을 통과하거나 구름 아래를 지나가면서 뿌려 충돌 응집과정을 가속시켜 비가 오게 한다. 한랭구름의 경우는 드라이아이스를 뿌리거나 요오드화은(AgI) 또는 액화프로판을 태워서 인공적인 빙정핵을 가하여 빙정과정이 효과적으로 진행되게 하여 강우를 유도하게 된다. 구름씨 물질로는 요오드화은이 가장 많이 사용되고 있는데 아세톤과 섞어서 연소기를 통해 연소시키거나 고체 요오드화은 연소탄(flare)을 비행기에서 구름 상층부를 지나가면서 떨어뜨려 태워서 연기형태로 살포하게 된다. 이론적으로는 1g의 요오드화은을 태워서 최대 1000조(1015)개의 입자를 생성하며 요오드화은 입자의 결빙 효능은 임계온도는 -5℃이며 온도가 낮을수록 증가하게 된다.

< 요오드화은(AgI)을 이용한 Cloud Seeding >