수증기, 혜성의 꼬리가 빛나는 이유

혜성 하면 떠오르는 길고 빛나는 꼬리는 무엇 때문일까요. 놀랍게도 대부분이 수증기 때문이라고 합니다. 혜성이 태양에 접근하면서 혜성이 가지고 있던 얼음이 수증기로 승화하게 됩니다. 참고로 승화(昇華, sublimation)는 어떤 물질이 액체의 과정을 거치지 않고, 고체에서 기체로 변하는 현상을 말합니다. 고체인 얼음에서 바로 기체로 위상전이(phase transition)된 수증기가 태양으로부터 빛을 반사합니다. 그래서 길고 빛나는 꼬리가 만들어집니다. 혜성과 태양의 거리를 알고 있다면, 혜성의 꼬리가 빛나는 정도에 따라 혜성이 지닌 수분의 양을 추정할 수 있다고 합니다.

 

일상적으로 우리가 자주 만나는 수증기가 지구 밖 혜성의 긴 꼬리의 원인이라고 하니 반갑습니다. 혜성의 꼬리 만이 아닙니다. 화성을 연구하는 과학자들은 물이 화성 주변을 움직이고 있다면 수증기 형태로 움직일 것이라는 가설을 세웠다고 합니다. 화성의 대부분의 물은 얼음의 형태로 북극지방에 존재한다고 합니다. 화성의 여름에 이 얼음이 승화하면서 대규모의 계절성 폭풍을 발생시키고 이러한 현상이 엄청난 양의 물을 적도지방으로 수송한다는 주장입니다.

 

수증기는 이렇게 우리 일상 곳곳을 너머 우주에도 곳곳에 있습니다. 수증기(水蒸氣, water vapor, steam)는 물(water)의 기체 상태입니다. 수증기는 물의 순환의 한 상태입니다. 수증기는 액체 상태의 물이 증발하거나, 고체 상태인 얼음이 승화하는 것을 통해 만들어 집니다. 이 과정은 한번 진행되고 고정되는 것이 아니라 끊임없이 반복됩니다. 일반적인 대기 상태에서, 수증기는 끊임없이 기화와 액화를 반복합니다. 기화(氣化)란 액체 상태의 물질이 기체 상태의 물질로 되는 현상을 말합니다. 기화의 반대말은 기체가 액체가 되는 것은 액화입니다. 기체가 액체가 되는 것입니다. 기화는 주로 액체가 증발하거나 끓을 때 일어납니다. 이때 열에너지를 흡수하며 운동이 활발해지며 기화가 일어납니다. 액체가 기화될 때는 열에너지가 필요하고 기화가 될 때 액체가 흡수하는 열을 '기화열'이라고 합니다.

 

좀더 자세히 보면, 물 분자가 표면을 떠나 수증기가 되는 것이 기화입니다. 물 분자가 수증기로 될 때에, 열을 가지고 떠나게 됩니다. 이러한 열 작용을 기화 냉각이라고 합니다. 수증기가 된 물 분자가 다시 표면으로 돌아오는 비율은 공기 중의 수증기의 양에 따라 결정됩니다. 만약 계속 기화만 일어난다면, 액체는 수분을 잃어감에 따라 냉각되게 됩니다.

 

기화 냉각은 대기의 상태에 따라 달라집니다. 공기 중의 수증기의 양이 습도입니다. 습도의 측정은 습도계로 측정하는데, 측정방법이 크게 2가지입니다. 절대습도와 상대습도입니다. 대기와 물 표면 온도는 포화수증기압을 결정하고 상대습도로 100%는 공기 중의 수증기압이 포화수증기압과 같을 때를 나타냅니다. 포화 증기압(saturation vapor pressure)은 대기가 더이상 수분을 머금을 수 없는 상태에서의 증기압을 말합니다.

 

기화에는 액체에서 기체로 되는 과정 뿐 아니라 승화라는 과정이 있습니다. 승화는 고체에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 되는 현상입니다. 얼음이 주변에 비해 높은 온도를 가질때, 승화가 자주 발생합니다. 눈이나 얼음이 녹기에는 추운 겨울에도 서서히 사라져 가는 것은 바로 이러한 승화에 의해서입니다.

 

기화에 이어 액화의 과정을 알아보려고 합니다.

수증기는 자신의 온도보다 차가운 액체의 표면 위에 닿을 때 액화됩니다. 차가운 음료컵 주변에 맺히는 물방울이 대표적인 예입니다. 공기 중 수증기가 차가운 컵을 만나 액화되는 것입니다. 이 외에 압력의 변화도 액화의 원인이 됩니다. 대기가 더이상 수분을 머금을 수 없는 상태에서의 증기압인 포화 수증기압이 초과되었을 경우에도 액화됩니다.

 

수증기 분자는 열을 지니고 있습니다. 수증기가 액체 표면에 액화할 경우, 표면은 가열됩니다. 반면 공기 중의 온도는 약간 낮아지게 됩니다. 대기에서 액화는 구름과 안개 등을 만들어 냅니다. 이슬점이란 수증기가 응결하여 이슬이 생길 정도의 차가운 온도를 의미합니다. 표면의 온도가 대기의 이슬점 이하일 경우에 액화가 발생합니다. 기체가 바로 고체가 되는 승화도 발생할 수 있습니다. 서리나 눈이 대기 중 승화의 예입니다. 대기 중의 수증기의 양은 대기압 및 기온에 의해 영향을 받습니다. 이슬점 온도 및 상대습도는 물의 순환에서 수증기 과정을 나타내는 지표입니다.

 

지구 대기권에는 수증기가 조금 존재하긴 하지만, 환경에서는 매우 커다란 역할을 합니다. 대부분의 수증기는 대류권에 존재합니다. 대류권(對流圈, troposphere)은 지구 대기권의 가장 낮은 부분으로 대부분의 기상 현상이 일어나는 곳입니다. 온실 효과 역시 대류권에서 발생합니다. 수증기는 지구 온실 효과의 36~70%를 담당하는 온실 기체라고 합니다. 이 외에도 수증기는 구름을 형성하며, 구름은 경우에 따라 지표면을 따뜻하게 하기도, 차갑게 하기도 합니다. 대기 중의 수증기는 날씨에 의해 크게 영향을 받고, 또한 반대로 날씨에도 크게 영향을 줍니다. 이러한 날씨는 기후에 크게 영향을 받습니다.

 

물 분자는 극초단파(microwave) 및 라디오파를 흡수하는 특성이 있으므로, 대기 중의 수분은 레이다 신호를 감소시킨다고 합니다. 게다가 대기 수분은 전파를 반사시키거나 굴절시키며 그 정도는 수분이 액체냐 고체 상태냐에 따라 크게 달라진다고 합니다.