기온이 영상인데도 서리가 내리는 이유

가을이나 초겨울 아침, 일기예보에서는 최저기온이 영상인데도 풀잎이나 자동차 유리에 하얗게 서리가 내려 있는 경우가 있다.

기온이 0°C보다 높은데 어떻게 얼음 결정인 서리가 생길 수 있을까?

그 이유는 기상관측에서 말하는 기온과 실제 지표면이나 풀잎의 온도가 서로 다를 수 있기 때문이다. 특히 맑고 바람이 약한 밤에는 복사냉각으로 지표면이 주변 공기보다 더 빠르게 식으면서 0°C 이하로 내려갈 수 있다.

즉, 기온이 영상이라도 지표면은 영하가 될 수 있으며, 이 조건에서 서리가 만들어질 수 있다.

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1. 기온이 영상인데도 서리가 내릴 수 있을까?

결론부터 말하면 가능하다.

예를 들어 다음과 같은 상황을 생각해 볼 수 있다.

• 기상관측 기온: +2°C
• 풀잎 표면 온도: −1°C

이 경우 공기 자체는 얼지 않을 정도로 따뜻하지만, 풀잎의 표면은 이미 영하로 내려가 있다.

따라서 풀잎 표면에서는 서리가 만들어질 수 있다.

따라서 중요한 것은 서리가 생기는 기준이 기상관측 기온이 아니라 실제 표면 온도라는 점이다.

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2. 기상청의 기온과 지표면 온도는 왜 다를까?

우리가 일기예보에서 보는 기온은 땅의 온도를 직접 측정한 값이 아니다.

기상관측에서는 일정한 높이에서 공기의 온도를 측정한다. 반면 풀잎이나 자동차 유리, 지붕, 토양 표면 등은 주변 공기와 다른 온도를 가질 수 있다.

특히 밤에는 그 차이가 커질 수 있다.

맑고 바람이 약한 밤에는 지표가 빠르게 냉각되면서

기온 +2°C / 지표면 −1°C

와 같은 상황도 충분히 발생할 수 있다.

따라서

기온이 영상이라고 해서 모든 물체의 표면 온도도 영상인 것은 아니다.

이 점이 영상의 날씨에서도 서리가 생기는 기본적인 이유이다.

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3. 복사냉각이란 무엇인가?

모든 물체는 온도를 가지고 있는 한 전자기파 형태로 에너지를 방출한다.

지표면 정도의 온도에서는 이 에너지의 상당 부분이 적외선 형태로 방출된다.

낮에는 태양에서 들어오는 에너지가 지표를 데운다.

하지만 해가 지면 태양복사에 의한 에너지 공급은 거의 사라진다.

반면 지표에서는 계속 적외선이 방출된다.

즉,

지표면 → 적외선 복사 → 대기와 우주

방향으로 에너지가 빠져나간다.

이 과정에서 지표가 에너지를 잃고 온도가 내려가는 현상을 복사냉각(radiative cooling)이라고 한다.

가을철 아침에 서리가 잘 내리는 현상은 이 복사냉각과 밀접한 관계가 있다.

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4. 적외선은 에너지가 낮은데 왜 냉각 효과가 클까?

적외선은 가시광선보다 파장이 길기 때문에 광자 하나의 에너지는 상대적으로 낮다.

광자 하나의 에너지는

E = hν

로 나타낼 수 있다.

진동수가 낮아질수록 광자 하나의 에너지도 작아진다.

그러나 열전달에서는 광자 하나의 에너지보다 얼마나 많은 에너지가 전체적으로 이동하는가가 중요하다.

지표면에서는 많은 수의 적외선 광자가 지속적으로 방출된다.

열복사에 의한 방출 에너지는 Stefan-Boltzmann 법칙으로

P = εσT⁴

형태로 표현할 수 있다.

예를 들어 지표면 온도가 약 10°C인 283 K 정도라면 흑체 기준 복사 방출량은 약 360 W/m²에 이른다.

따라서

적외선 광자 하나의 에너지가 낮다고 해서 복사열전달 자체가 작은 것은 아니다.

냉각에서는 전체적인 에너지 흐름이 중요하다.

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5. 공기가 있는데도 왜 복사라는 말을 쓸까?

복사는 흔히 매질 없이 열이 전달되는 현상이라고 한다.

그래서 대기 중에 공기가 존재하는데도 복사냉각이라는 표현을 사용하는 것이 조금 이상하게 느껴질 수 있다.

하지만 정확하게 말하면

복사는 매질이 없어야 일어나는 열전달이 아니라, 매질이 없어도 일어날 수 있는 열전달이다.

대기 중에서는 전도, 대류, 복사가 동시에 일어난다.

전도

지표와 직접 접촉한 공기 사이에서 열이 이동한다.

대류

공기가 움직이면서 열이 이동한다.

복사

전자기파인 적외선 형태로 에너지가 전달된다.

따라서 공기가 존재한다고 해서 복사가 사라지는 것은 아니다.

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6. 지표에서 나온 적외선은 모두 우주로 빠져나갈까?

그렇지는 않다.

지표에서 방출된 적외선 가운데 일부는 대기를 통과하지만, 일부는 대기 중의

• 수증기
• 이산화탄소
• 구름

등에 흡수된다.

이렇게 에너지를 흡수한 대기는 다시 적외선을 여러 방향으로 방출한다.

그중 일부는 다시 지표 방향으로 내려온다.

이를 대기의 하향 장파복사, 또는 흔히 대기 역복사라고 부른다.

따라서 실제로 지표의 냉각 정도를 결정하는 것은 단순한 복사 방출량이 아니다.

핵심은

지표에서 나가는 복사 − 대기에서 들어오는 복사

이다.

즉, 순복사 손실이 클수록 지표가 더 빠르게 식는다.

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7. 우주의 온도는 약 3 K인데 왜 지표는 순식간에 얼지 않을까?

우주배경복사의 온도는 약 2.7 K, 섭씨로는 약 −270°C에 해당한다.

그렇다면 지표가 밤마다 매우 차가운 우주를 향해 적외선을 방출한다면 금방 얼어붙어야 하지 않을까?

그렇지 않은 가장 큰 이유는 대기이다.

대기는 지표에서 방출되는 적외선 일부를 흡수한다.

특히 수증기와 이산화탄소는 적외선의 특정 파장대를 잘 흡수한다.

그리고 흡수한 에너지를 다시 방출한다.

이 가운데 일부는 다시 지표 쪽으로 내려온다.

쉽게 말하면 대기가 일종의 복사 담요 역할을 하는 셈이다.

따라서 지표는 약 3 K의 우주와 직접적으로만 에너지를 교환하는 것이 아니다.

이 과정은 지구의 자연적인 온실효과와도 연결된다.

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8. 대기창을 통해 일부 적외선은 우주로 빠져나간다

대기가 모든 적외선을 완전히 흡수하는 것은 아니다.

일부 파장대에서는 대기가 적외선을 비교적 잘 통과시킨다.

이를 대기창(atmospheric window)이라고 하는데,

대표적으로 약 8~13 μm 부근에서는 대기가 상대적으로 투명하다.

따라서 지표에서 방출된 일부 적외선이 이 파장대를 통해 우주 방향으로 빠져나갈 수 있다.

특히 맑고 건조한 밤에는 이러한 복사 손실이 커질 수 있다.

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9. 왜 맑은 밤에 서리가 잘 내릴까?

맑은 밤에는 구름이 적다.

구름은 지표에서 방출된 적외선을 흡수하고 다시 여러 방향으로 방출한다.

그중 일부가 지표 방향으로 되돌아오기 때문에 지표의 냉각을 줄이는 효과가 있다.

반대로 맑은 밤에는 이러한 효과가 줄어든다.

결과적으로

맑은 밤 → 대기 역복사 감소 → 순복사 손실 증가 → 지표면 온도 하강

과 같은 과정이 나타난다.

따라서 맑은 밤에는 복사냉각이 강해지고 서리가 생길 가능성이 높아진다.

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10. 바람이 약하면 왜 서리가 더 잘 생길까?

바람도 중요한 역할을 한다.

바람이 강하면 위쪽의 상대적으로 따뜻한 공기와 지표 가까이의 차가운 공기가 계속 섞인다.

그 결과 지표가 지나치게 차가워지는 것을 막아준다.

반대로 바람이 약하면 공기층이 잘 섞이지 않는다.

이때 복사냉각으로 차가워진 지표 부근에 낮은 온도의 공기가 머무를 수 있다.

그래서 지표 가까운 곳의 온도는 위쪽보다 더 낮아질 수 있다.

이러한 현상은 야간의 기온 역전과도 관계가 있다.

결국 서리는 대체로

맑은 하늘 + 약한 바람 + 충분한 수증기

조건에서 발생하기 쉽다.

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11. 서리는 어떻게 만들어질까?

표면 온도가 0°C 이하로 내려갔다고 해서 무조건 서리가 생기는 것은 아니다.

공기 중에 충분한 수증기가 있어야 한다.

표면 온도가 서리점(frost point) 이하로 내려가면 공기 중 수증기가 차가운 표면에 얼음 결정 형태로 직접 달라붙을 수 있다.

이처럼 기체 상태의 수증기가 액체 상태를 거치지 않고 바로 고체인 얼음으로 변하는 과정을 증착(deposition)이라고 한다.

따라서 서리 형성을 간단하게 정리하면

차가운 표면 + 충분한 수증기 + 서리점 이하의 조건

이라고 볼 수 있다.

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12. 기온이 +3°C인데도 서리가 생기는 과정

가을의 맑은 밤을 생각해 보면,

낮 동안에는 지표가 태양에너지를 받아 따뜻해진다.

해가 지면서 태양에너지 공급이 급격히 줄어든다.

하지만 지표에서는 계속 적외선이 방출된다.

구름이 적으면 복사에너지 일부가 대기와 우주 방향으로 빠져나간다.

바람까지 약하면 따뜻한 공기가 지표 가까이 충분히 공급되지 않는다.

그 결과 지표면 온도가

+1°C → 0°C → −1°C

로 내려갈 수 있다.

그동안 일정 높이에서 측정한 기온은 여전히 +2~3°C일 수 있다.

이때 풀잎이나 자동차 유리의 표면 온도가 서리점 이하로 내려가면 공기 중 수증기가 얼음 결정으로 증착하면서 서리가 생긴다.

따라서

기온이 영상 2~3°C인데도 아침에 서리가 내려 있는 현상은 충분히 가능한 일이다.

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13. 서리를 이해하는 핵심은 지표면의 에너지 수지

서리가 생기는 과정을 이해하려면 단순히 기온만 볼 것이 아니라 지표면의 에너지 수지를 생각해야 한다.

밤의 지표면에서는 여러 형태의 에너지 이동이 동시에 일어난다.

지표로 들어오는 에너지

• 대기에서 내려오는 적외선 복사
• 따뜻한 공기에서 전달되는 열
• 땅속에서 올라오는 열

지표에서 빠져나가는 에너지

• 적외선 복사에 의한 에너지 방출

결국

지표에서 빠져나가는 에너지 > 주변에서 공급되는 에너지

가 되면 지표면의 온도는 계속 내려간다.

이것이 복사냉각에 의한 서리 발생의 핵심 원리이다.

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마무리

서리는 단순히 기온이 0°C 아래로 내려가서 생기는 현상이 아니다.

그 배경에는 복사냉각, 적외선 복사, 대기 역복사, 바람에 의한 대류, 수증기의 상변화, 지표면의 에너지 수지가 함께 작용한다.

특히 우리가 밤하늘을 바라보고 있는 동안 지표 역시 보이지 않는 적외선을 통해 끊임없이 대기와 우주로 에너지를 방출하고 있다.

따라서 가을 아침 풀잎에 내려앉은 서리는 단순한 얼음 결정이 아니라

지표면과 대기, 그리고 우주 사이에서 밤새 이루어진 에너지 교환의 결과

라고 볼 수 있다.

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참고자료

1. NOAA / National Weather Service, Dew and Frost Development
2. National Weather Service, What Causes Frost?
3. National Weather Service, Why Frost Forms at Temperatures Above Freezing
4. UK Met Office, What is frost and ice?
5. NOAA, National Weather Service Observing Handbook No. 
6. Wallace, J. M. & Hobbs, P. V., Atmospheric Scienc