안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
구름이 우주 바깥으로 빠져나가지 않고 특정 높이의 하늘에 머물러 있는 것은 수증기의 상변화, 열역학적 부력의 한계, 그리고 성층권에 있는 오존층 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
기체 상태의 물 분자 분자량은 약 18 g/mol로, 대기의 주성분인 질소나 산소의 평균 분자량(약 29 g/mol)보다 가볍습니다. 따라서 수증기를 품은 따뜻한 공기는 자연스럽게 위로 올라가게 되고, 공기가 위로 올라갈수록 기압이 낮아져 단열 팽창을 일으키고 기온이 떨어집니다. 이슬점 도달 시 기체였던 수증기 분자들은 수소 결합을 통해 서로 뭉치며 작은 액체 물방울이나 미세한 얼음 결정으로 응결합니다. 이때 투명한 기체가 빛을 산란시키는 미세한 물방울 입자 집합체, 즉 에어로졸 상태의 구름이 되면서 하얗게 눈에 보이게 됩니다. 기체 상태일 때는 주변 공기보다 가벼워 부력을 얻고 올라갔지만, 물방울로 응결된 공기 덩어리는 점점 차가워지며 밀도가 높아집니다.
올라가다 보면 공기 덩어리의 밀도가 주변 대기의 밀도와 정확히 같아지는 높이에 도달하게 됩니다. 이 지점에서는 더 이상 위로 밀어 올리는 부력이 작용하지 않아 구름은 상승을 멈추고 해당 높이에 멈춰 서게 됩니다.
또한, 대류권에서는 위로 올라갈수록 기온이 낮아지지만, 성층권은 오존 분자들이 태양의 유해 자외선을 흡수하면서 아래쪽보다 위쪽이 더 따뜻해지는 온도 역전이 일어납니다. 위쪽 공기가 더 따뜻하고 가볍기 때문에, 아래 대류권에서 올라오던 공기 덩어리는 이 따뜻한 공기층을 뚫고 올라가지 못합니다.