가끔 하늘 위를 날아가는 비행기를 볼 수 있습니다. 이때 비행기가 지나간 자리에는 하얀색의 흰 줄이 생기는데, 수 초간 유지되다가 사라지기도 하고, 꽤 오래 지속되기도 합니다. 많은 사람이 이 흰 줄의 정체를 자동차 등의 배기구에서 나오는 배기가스와 같은 것으로 생각합니다. 정말 배기가스일까요?
이것의 정체는 비행기에서 나온 배기가스가 만들어 낸 구름인 '비행운(飛行雲, contrail)'이라고 합니다. 먼저 일반적인 구름은 수증기를 머금은 공기 덩어리가 상승하면서 단열 팽창되고, 기온이 떨어지면서 수증기가 과포화된 상태인 이슬점에 도달할 때 수증기가 응결되면서 생성됩니다.
물론 일반 구름에는 더욱 다양한 생성 원인과 종류가 있습니다. 그래도 이런 구름을 비행기가 만들어낸다니 이해하기 어려울 수 있습니다.
사실 구름이 생성되는 원리와 비행운이 생성되는 원리가 크게 차이가 없어서 그런 것인데, 비행운의 생성 원리를 살펴보도록 하겠습니다.
자동차는 경유나 휘발유 등을 사용하고, 비행기는 항공유를 사용합니다. 가솔린 엔진 항공기는 옥탄가가 높은 항공용 가솔린을 쓰고, 제트 엔진 항공기는 등유를 주성분으로 하는 제트 연료를 쓰는데, 대부분 항공기가 제트 연료를 씁니다.
제트 연료를 사용하는 제트 엔진은 공기를 흡입하고 연소하는 과정을 일으킨 다음에 엔진 뒤쪽으로 이산화탄소와 물(수증기), 황, 질소 산화물 등이 포함된 배기가스를 배출합니다.
이때 비행기는 6~12km의 고도에서 비행을 합니다. 해당 고도에서 주변 대기 온도는 영하 30~60℃ 정도 인데, 순항 중인 비행기의 제트 엔진에서 배출하는 배기가스는 수백 ℃의 고온입니다. 이런 고온의 배기가스가 영하 30~60℃의 온도에 노출되면 어떻게 될까요?
순간적으로 배기가스에 포함된 수증기가 냉각되어 작은 얼음 알갱이로 변하고, 비행운을 만들어 냅니다. 보통 비행운은 온도가 낮은 고공에서 더 잘 만들어지는데, 상대습도가 높으면 더 잘 만들어지고, 진짜 구름처럼 몇 시간 동안 모양을 지속하기도 합니다.
이것이 일반적으로 생성되는 비행운의 원리이고, 배기구에서 생성된다고 해서 배기운(Exhaust trail)이라고도 합니다.
그리고 비행기의 날개에서 생성되는 비행운도 있는데, 이 구름은 공기역학운(Aerodynamic trail)이라고 합니다.
그 원리를 알아보면 비행기가 빠른 속도로 날아갈 때 날개 윗면을 흐르는 공기는 아래쪽보다 더 빠르게 흐릅니다. 공기가 빨리 흐르면 그만큼 주변을 누르는 힘이 줄어들어 압력이 낮아집니다.
이때 공기는 주변과 열을 거의 주고받지 않은 채 팽창합니다. 팽창하는 데 에너지가 쓰이면서 분자들의 움직임이 느려지고, 그 결과 온도가 떨어집니다.
공기 덩어리는 풍선과도 같습니다. 뜨거울수록 공기 덩어리는 커지는데, 커진 만큼 많은 양의 물이 있어야 풍선을 꽉 채울 수 있고. 꽉 찬 상황을 포화라고 합니다.
그런데 반대로 온도가 낮아지면 공기가 머금을 수 있는 수증기의 양이 줄어듭니다. 그러면 공기 속에 포함될 수 없는 수증기가 물방울로 응결되고, 비행기 날개 주변에 수증기가 응결하면 기다란 비행운이 만들어집니다.
참고로 공기역학운은 비행기가 매우 빠르게 비행해야 하고, 습도가 높아야 하는 등 형성 조건이 까다롭습니다. 또 생긴다고 하더라도 상대적으로 빨리 사라지고, 규모도 작아서 보기 어렵습니다.
이외에도 비행운 중에 소산운(Dissipation trail)이라는 것도 있는데, 엷은 구름층을 비행하는 비행기에서 나오는 고온의 배기가스 때문에 구름 속의 수증기가 증발하면서 구름에 틈이 생겨 모양이 변한 구름을 말합니다. 아무래도 잘 관측되는 편은 아닙니다. 그래서 우리가 보는 대부분의 비행운은 배기운입니다.
참고로 비행운이 나타났다는 것은 고공이 습한 상태를 의미하며, 이는 강수 확률이 있음을 의미합니다. 기상 속담에 따르면 비행운이 금방 사라지는 경우는 대기가 건조하므로 맑은 날이 이어질 가능성이 높고, 오래 남아 있으면 습한 상태이므로 곧 비가 올 것으로 예측할 수 있다고 합니다. 궁금증이 해결되셨나요?
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