31일 넘게 비가 내리는 도쿄 그 이유는?
비는 왜 한 달 넘게 이어질 수 있을까?
정체전선 · 수증기 수송 · 상승기류 · 단열 냉각 · 응결 · 잠열
[출제 의도]
한 지역에서 장기간 강수가 반복되는 현상을 단순히 ‘비구름이 오랫동안 머물렀다’는 표현으로 설명하지 않고, 서로 다른 성질의 공기 덩어리가 만나는 전선, 습한 공기의 지속적인 유입, 공기의 상승과 단열 냉각, 수증기의 포화와 응결을 연결하여 설명하는 능력을 평가한다.
또한 태풍이 반드시 해당 지역을 직접 통과하지 않더라도 주변의 수증기 수송을 변화시켜 강수에 영향을 줄 수 있다는 점과, ‘연속 강수 일수’라는 통계가 무엇을 의미하는지를 과학적으로 해석하도록 한다.
독립 창작 대학입시 대비 연습문항 ·
3개 논제 · 총 100점 · 권장 시간 80~90분.
제공된 도쿄 장기 강수 사례를 문제의 출발점으로 삼았으며
계산용 수치와 표는 학습을 위해 별도로 구성한 가상 자료이다.
비가 내리기 위해서는 대기 중에 수증기가 존재하는 것만으로는 충분하지 않다. 수증기를 포함한 공기가 상승하여 냉각되고, 수증기량이 그 온도에서 공기가 포함할 수 있는 최대량에 가까워져야 응결이 일어나 구름방울이 형성될 수 있다.
서로 온도와 습도가 다른 공기 덩어리가 만나는 경계 부근에서는 따뜻하고 밀도가 작은 공기가 상대적으로 차갑고 밀도가 큰 공기 위로 상승하기 쉽다. 이러한 경계가 전선이다.
공기가 높은 곳으로 상승하면 주변 기압이 낮아진다. 공기 덩어리는 팽창하면서 내부에너지를 사용하므로 외부로부터 충분한 열을 공급받지 않는다면 온도가 낮아진다. 이러한 과정을 단열 냉각이라고 한다.
전선이 한 지역 부근에 장기간 머무는 상황에서 남쪽의 따뜻한 바다로부터 습한 공기가 반복적으로 공급되면 구름이 한 번 만들어지고 끝나는 것이 아니라 새로운 수증기가 계속 공급되어 강수가 여러 차례 반복될 수 있다.
’34일 연속 강수’라는 표현은 34일 동안 매 순간 비가 끊임없이 내렸다는 뜻으로 해석해서는 안 된다. 제공된 사례가 직접 말해 주는 것은 각각의 날짜에 강수가 관측되어 강수가 기록된 날이 연속되었다는 사실이다.
[논제 1] 습한 공기가 올라가면 왜 구름과 비가 만들어지는가
전선의 남쪽에서 유입된 공기의 온도가 25℃이고 상대습도가 90%라고 하자. 문제를 단순화하기 위해 공기 1m³에 포함될 수 있는 최대 수증기량을 다음 표와 같이 제시한다.
| 온도 | 포화 수증기량 |
|---|---|
| 25℃ | 23.0 g/m³ |
| 20℃ | 17.3 g/m³ |
| 15℃ | 12.8 g/m³ |
이 논제에서는 공기 부피 변화에 따른 밀도 변화는 무시하고, 수증기량 변화만 비교하는 단순화된 모형을 사용한다.
- 25℃, 상대습도 90%인 공기 1m³에 실제로 포함된 수증기의 질량을 계산하시오. (7점)
- 이 공기가 상승하여 20℃까지 냉각될 때 응결할 수 있는 물의 질량을 계산하시오. (8점)
- 같은 공기가 15℃까지 더 냉각된다면 최초 상태와 비교하여 총 몇 g의 물이 응결할 수 있는지 계산하시오. (7점)
- 위 계산을 이용하여 전선 부근에서 따뜻하고 습한 공기가 상승할 때 구름과 강수가 만들어질 수 있는 과정을 논술하시오. (8점)
30점 · 상대습도와 포화 수증기량의 의미를 구분하여 답할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 처음 공기에 들어 있는 수증기량
25℃에서 포화 수증기량은 23.0g/m³이다. 상대습도가 90%이므로 실제 수증기량은
이다.
② 20℃까지 냉각되면 일부 수증기가 응결한다
20℃에서 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기량은 17.3g/m³이다.
처음에는 20.7g/m³의 수증기가 있었으므로
의 물이 응결할 수 있다.
③ 15℃까지 냉각되는 경우
15℃의 포화 수증기량은 12.8g/m³이다.
따라서 최초 상태에서 15℃까지 냉각될 때 응결할 수 있는 총량은
이다.
④ 전선에서 비가 만들어지는 과정
따뜻하고 습한 공기가 전선 부근에서 상승하면 주변 기압이 낮아지면서 공기가 팽창하고 냉각된다. 온도가 낮아지면 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기량이 감소한다.
실제 수증기량이 포화 수증기량을 초과하려는 순간부터 초과하는 수증기의 일부가 액체 물방울로 응결한다. 이러한 작은 물방울들이 모여 구름을 이루며, 물방울이나 얼음 입자가 충분히 성장하면 중력에 의해 떨어져 강수가 될 수 있다.
모범 답안
25℃에서 포화 수증기량이 23.0g/m³이고 상대습도가 90%이므로 실제 수증기량은 20.7g/m³이다. 공기가 20℃까지 냉각되면 포화 수증기량이 17.3g/m³가 되므로 약 3.4g이 응결할 수 있다.
15℃까지 냉각되면 포화 수증기량은 12.8g/m³가 되므로 최초 상태와 비교하여 총 7.9g이 응결할 수 있다. 따라서 전선에서 습한 공기가 상승하여 냉각되면 포화 수증기량이 감소하고, 남는 수증기가 응결하여 구름을 만든다. 구름 입자가 성장하면 강수로 이어질 수 있다.
채점 기준 · 30점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 실제 수증기량 | 23.0×0.90=20.7g/m³를 계산한다. | 7 |
| 20℃ 응결량 | 20.7-17.3=3.4g을 계산한다. | 8 |
| 15℃ 응결량 | 20.7-12.8=7.9g을 계산한다. | 7 |
| 강수 형성 | 상승 → 냉각 → 포화 수증기량 감소 → 응결 → 구름·강수의 인과관계를 설명한다. | 8 |
[논제 2] 태풍이 직접 오지 않아도 왜 비가 더 많이 내릴 수 있는가
어느 전선 부근으로 남쪽 해상에서 유입되는 공기의 수증기 수송을 단순화하여 분석하였다.
단위 면적을 통과하여 운반되는 수증기의 양을 다음과 같이 정의한다.
J의 단위는 g/(m²·s)로 한다.
| 상태 | 수증기 밀도 | 전선 방향으로 부는 바람 속력 |
|---|---|---|
| A · 태풍 영향이 약한 상태 | 14 g/m³ | 5 m/s |
| B · 태풍 주변 흐름의 영향 | 18 g/m³ | 12 m/s |
또한 물 1kg이 수증기로 증발할 때 필요한 잠열과 같은 질량의 수증기가 응결할 때 방출하는 잠열의 크기를 2.5×10⁶J/kg으로 한다.
- 상태 A와 B의 수증기 수송량 J를 각각 계산하시오. (8점)
- B의 수증기 수송량은 A의 몇 배인지 계산하시오. (7점)
- 구름 속에서 수증기 1.2kg이 물로 응결하였다면 방출되는 잠열의 크기를 계산하시오. (8점)
- 태풍이 도쿄를 직접 통과하지 않더라도 전선 부근의 강수를 강화하거나 오래 지속시키는 데 영향을 줄 수 있는 이유를 수증기 공급과 대기 흐름의 관점에서 설명하시오. 단, 잠열이 장기 강수의 유일한 원인이라고 서술해서는 안 된다. (12점)
35점 · 수증기 수송량은 실제 강수량과 동일한 물리량이 아님에 유의할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 수증기 수송량
상태 A에서는
이다.
상태 B에서는
이다.
② 태풍 주변 흐름이 있을 때 수송량의 증가
따라서 B의 수증기 수송량은 A의 약 3.1배이다.
③ 응결할 때 방출되는 잠열
따라서 약 3.0MJ의 에너지가 방출된다.
④ 태풍은 ‘수증기 공급 통로’의 역할을 할 수 있다
태풍이 한 지역을 직접 통과해야만 그 지역의 강수에 영향을 주는 것은 아니다. 태풍 주변에는 강한 대기 흐름이 형성되므로 따뜻한 해상에서 증발한 많은 수증기를 전선 방향으로 운반할 수 있다.
자료에서는 태풍 주변 흐름을 고려한 B의 수증기 수송량이 A보다 약 3.1배 크다. 따라서 전선 부근으로 강수의 재료인 수증기가 더 빠르게 공급될 수 있음을 알 수 있다.
공급된 습한 공기가 전선에서 상승하고 냉각되어 응결하면 구름과 비가 반복적으로 만들어질 수 있다. 응결 과정에서 잠열도 방출되므로 대기의 열역학적 상태와 상승 운동에 영향을 줄 수 있다.
그러나 한 지역에서 비가 여러 날 반복되려면 수증기만 많아서는 충분하지 않다. 전선이 그 지역 부근에 계속 존재하고 공기를 상승시키는 대규모 기압 배치도 유지되어야 한다.
모범 답안
수증기 수송량은 A에서 14×5=70g/(m²·s), B에서 18×12=216g/(m²·s)이므로 B는 A의 약 3.09배이다.
또한 수증기 1.2kg이 응결하면 1.2×2.5×10⁶=3.0×10⁶J의 잠열이 방출된다.
태풍 주변의 강한 바람은 따뜻한 해상에서 전선 방향으로 많은 수증기를 지속적으로 운반할 수 있다. 따라서 태풍의 중심이 직접 도쿄를 통과하지 않더라도 전선에 공급되는 수증기가 증가하여 강수 형성에 영향을 줄 수 있다.
다만 장기간의 비를 설명하려면 지속적인 수증기 공급뿐 아니라 전선이 쉽게 이동하지 않는 기압 배치가 함께 필요하다. 따라서 ‘태풍이 수증기를 공급했다’는 사실만으로 장기 강수 전체를 설명해서는 안 된다.
채점 기준 · 35점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 수증기 수송 | A=70, B=216g/(m²·s)를 계산한다. | 8 |
| 증가 비율 | 216/70≈3.09배를 계산한다. | 7 |
| 잠열 | 1.2×2.5×10⁶=3.0×10⁶J를 계산한다. | 8 |
| 종합 논증 | 태풍 주변 흐름 → 수증기 공급 → 전선 상승 → 응결·강수를 연결하고, 전선 정체 역시 필요함을 설명한다. | 12 |
[논제 3] 왜 같은 지역에서 비가 한 달 가까이 반복될 수 있는가
전선 주변에서 실제로 강수가 발생할 수 있는 영역의 남북 폭을 약 300km라고 단순화하자.
전선이 한 방향으로 일정하게 이동하는 경우와, 주변 고기압과 저기압의 영향으로 이동이 제한되는 경우를 다음과 같이 비교한다.
| 상황 | 전선의 평균 순이동 속도 | 특징 |
|---|---|---|
| A | 30 km/day | 한 방향으로 비교적 빠르게 이동 |
| B | 8 km/day | 남북으로 오르내리며 순이동이 느림 |
매우 단순한 모형에서 한 지점이 강수 가능 영역의 영향을 받는 시간은 다음과 같이 근사할 수 있다고 하자.
- 상황 A와 B에서 한 지역이 강수 가능 영역의 영향을 받을 수 있는 시간을 각각 계산하시오. (8점)
- B의 영향 시간은 A의 몇 배인지 계산하고, 전선의 이동 속도가 느려지는 것이 장기 강수 가능성을 높이는 이유를 설명하시오. (8점)
- 제공된 사례의 “34일 연속 강수가 관측되었다”는 표현을 “34일 동안 단 한 순간도 비가 그치지 않았다”라고 바꾸어 말해도 되는지 자료 해석의 관점에서 논술하시오. (8점)
-
다음 설명을 평가하시오.
“도쿄에서 장기간 비가 온 것은 태풍이 34일 동안 같은 장소에 머물렀기 때문이다.”
답안에는 전선의 정체, 반복적인 수증기 공급, 태풍의 간접 영향을 모두 포함하시오. (11점)
35점 · 계산 결과와 기사에서 제시된 인과관계를 구분하여 답할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 전선이 빨리 이동하면 영향 기간이 짧다
상황 A에서는
이므로 약 10일이다.
상황 B에서는
이므로 약 37.5일이다.
② 이동 속도가 느리면 한 지역에 영향을 줄 시간이 길어진다
따라서 단순한 모형에서는 B의 영향 시간이 A의 약 3.75배이다.
전선이 빠르게 지나가면 상승기류와 구름이 형성되기 쉬운 영역도 함께 이동한다. 반대로 전선의 순이동이 작고 한 지역 부근에서 오르내리면 같은 지역이 반복적으로 전선의 영향을 받을 가능성이 높아진다.
③ ‘연속 강수 일수’와 ‘연속적인 비’는 다르다
제공된 사례에서는 각각의 날짜에 강수가 관측되어 강수가 기록된 날이 연속되었다고 설명되어 있다.
그러나 이것만으로 34일 동안 24시간 내내 강수가 계속되었다고 결론 내릴 수는 없다.
한 날의 일부 시간에 비가 내리고 이후 몇 시간 동안 그쳤다가 다음 날 다시 비가 관측된 경우에도 날짜별 통계에서는 연속 강수일이 이어질 수 있다.
따라서 통계를 해석할 때는 강수가 관측된 날의 연속성과 비가 시간적으로 끊임없이 지속된 것을 구분해야 한다.
④ 장기 강수는 하나의 태풍만으로 설명되지 않는다
제공된 사례의 설명에 따르면 장기간의 강수에는 가을장마전선이 일본 부근에 오랫동안 머문 것이 중요한 배경으로 제시된다.
전선이 정체되면 습한 공기가 상승하기 쉬운 영역이 같은 지역 부근에 오래 유지될 수 있다.
여기에 남쪽 해상에서 접근하는 태풍과 그 주변 흐름이 따뜻하고 습한 공기를 전선 방향으로 공급하면 수증기가 반복적으로 보충될 수 있다.
따라서 장기간 강수를 “태풍 하나가 34일 동안 같은 장소에 머물렀기 때문”이라고 설명하는 것은 적절하지 않다.
더 정확한 설명은 전선의 장기 정체 + 반복적인 수증기 유입 + 태풍 등에 의한 대기 흐름 변화 가 함께 작용하였다는 것이다.
모범 답안
강수 가능 영역의 폭을 300km로 단순화하면, 전선이 하루 30km 이동할 때 영향 기간은 약 10일이고, 하루 8km만 순이동할 때는 약 37.5일이다. 따라서 후자의 영향 기간은 약 3.75배 길다.
이는 전선이 정체하거나 남북으로 반복 이동할 경우 한 지역이 장기간 전선 부근에 놓일 수 있음을 보여 준다. 여기에 따뜻한 해상으로부터 습한 공기가 계속 공급되면 상승·냉각·응결 과정이 반복되어 여러 날에 걸쳐 강수가 발생할 수 있다.
그러나 ’34일 연속 강수’라는 기록은 34일 동안 단 한 순간도 비가 멈추지 않았다는 의미와는 다르다. 제공된 자료가 말해 주는 것은 34개의 연속된 날짜마다 강수가 관측되었다는 사실이다.
또한 장기간 강수를 태풍 하나의 정체만으로 설명할 수 없다. 전선이 오랫동안 같은 지역 부근에 머무른 상태에서 태풍 주변의 대기 흐름이 남쪽의 수증기를 공급하면 강수 조건이 반복적으로 형성될 수 있다. 따라서 전선의 정체와 지속적인 수분 공급을 함께 고려해야 한다.
채점 기준 · 35점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 영향 기간 | A=10일, B=37.5일을 계산한다. | 8 |
| 전선 정체 | 약 3.75배를 계산하고 느린 이동과 장기 강수를 연결한다. | 8 |
| 자료 해석 | 연속 강수일과 24시간 연속 강수를 구분한다. | 8 |
| 종합 논증 | 전선 정체·수증기 공급·태풍의 간접 영향을 하나의 인과 구조로 설명한다. | 11 |
장기간의 강수를 설명할 때 “태풍 때문에 비가 왔다”와 같은 하나의 원인만 제시해서는 충분하지 않다.
높은 수준의 답안에서는 따뜻하고 습한 공기의 유입 → 전선에서의 상승 → 단열 냉각 → 포화 수증기량 감소 → 응결과 구름 형성 → 강수 의 과정을 먼저 설명해야 한다.
이후 전선의 정체 + 지속적인 수증기 공급 이 결합하면 한 번의 강수로 끝나지 않고 비구름이 반복적으로 만들어질 수 있다는 점을 설명해야 한다.
또한 태풍의 중심이 직접 통과하는 것과 태풍 주변의 대기 흐름이 수증기를 공급하는 것은 서로 다른 현상이며, ‘연속 강수일’이라는 통계와 ‘비가 한 순간도 멈추지 않은 시간’ 역시 구분해야 한다.
출제자 참고 · 과학적 타당성과 계산 최종 검산
① 논제 1 검산
25℃ 실제 수증기량: 23.0×0.90 = 20.7g/m³
20℃까지 냉각: 20.7-17.3 = 3.4g
15℃까지 냉각: 20.7-12.8 = 7.9g
② 논제 2 검산
A의 수증기 수송량: 14×5 = 70g/(m²·s)
B의 수증기 수송량: 18×12 = 216g/(m²·s)
증가 비율: 216/70 ≈ 3.086 ≈ 3.09배
잠열: 1.2×2.5×10⁶ = 3.0×10⁶J
③ 논제 3 검산
상황 A: 300/30 = 10일
상황 B: 300/8 = 37.5일
영향 기간 비: 37.5/10 = 3.75배
④ 과학적 개념 점검
비가 형성되는 과정을 단순히 ‘습도가 높아서’라고 설명하지 않고, 공기 상승과 냉각, 포화 수증기량 감소, 응결을 연결하였다.
또한 상대습도는 공기 중 수증기의 절대적인 질량 그 자체가 아니라, 같은 온도에서의 포화 상태와 비교한 비율이라는 점을 계산 문제에 반영하였다.
⑤ 잠열 해석 점검
수증기가 물로 응결할 때 잠열이 방출된다는 점을 반영하였다. 그러나 잠열 방출만으로 한 지역에서 한 달 이상 비가 이어지는 현상을 설명하지 않도록 구성하였다.
장기적인 강수 지속에는 전선을 유지시키는 대규모 기압 배치와 지속적인 수증기 공급이 함께 필요하다.
⑥ 수증기 수송량 해석 주의
문제에서 정의한 ρvv는 단위 면적을 통과하는 수증기 질량의 흐름을 단순화하여 나타낸 값이다.
이 수치가 곧바로 지표의 실제 강수량을 의미하는 것은 아니다. 운반된 수증기 가운데 실제로 얼마나 응결하고 어느 지역에 비로 떨어지는지는 상승 운동과 대기 순환 등 추가적인 조건에 의해 달라진다.
⑦ 자료 해석 점검
제공된 사례의 ’34일 연속 강수’를 ’34일 동안 24시간 내내 비가 지속됨’으로 확대 해석하지 않았다.
사례에서 직접 확인할 수 있는 범위는 연속된 날짜마다 강수가 관측되었다는 사실이다.
⑧ 저작권 점검
사용자가 제공한 기사에서는 도쿄의 장기 강수, 가을장마전선의 정체, 태풍 주변의 습한 공기 유입이라는 과학적 상황만을 문제의 출발점으로 삼았다.
기사 문장을 문제 제시문으로 그대로 전재하지 않았으며, 수증기량 표, 수송량 자료, 전선 이동 모형, 논제, 해설, 모범 답안과 채점 기준은 본 학습 자료를 위해 별도로 구성하였다.
