구름은 어떻게 지표면의 공기와 같은 각 속도로 운동할까?

바람이 없으면 구름이 상공에서 움직이지 않고 가만히 떠있다는 것은 구름이 지구의 자전과 같은 각속도로 공전하고 있다는 것이므로, 실제로는 구름이 지구 표면보다 더 빠르게 운동하고 있다는 것을 보여 준다. 함께 공전하는 물체들이 같은 각속도로 운동하려면 회전 반경이 클수록 더 큰 구심력이 필요하다. 그런데 구름이 자신보다 만유인력을 더 많이 받는 지표면의 공기와 어떻게 같은 각속도로 공전할까?

지표면을 감싸고 있는 대기층은 공기와 함께 먼지, 구름 등으로 이루어져 있다. 이러한 대기층과 지표층은 지구의 자전으로 인해 여러 가지 기상현상들이 발생한다. 그리고 지표면의 약 71%를 차지하는 물은 액체형태로 존재하지만, 대기층의 물은 대부분 기체형태로 존재한다. 이 기체의 덩어리들이 바로 구름이다. 대기의 구름층 내부를 들여다보면 여러 개의 구름 덩어리들이 상호작용하며 그 공간이 전후좌우 또는 위아래로 넓어졌다 좁아졌다 한다.

질문은 바람이 없으면 구름이 상공에서 움직이지 않고 지구의 자전과 같은 각속도로 공전한다고 전제하는데, 이 전제는 오류가 있는 듯 하다. 이를테면 지표면으로부터 약 10km 상공에 있는 구름과 지구의 각속도가 동일하려면 지표로부터 공중 10km의 구름까지 무엇인가로 단단히 채워지거나 연결돼 있어야 하는데, 공중의 공기나 구름들은 이런 연결성이 거의 없다. 다시 말해 구름에 구심력과 원심력이 발휘되려면 이를 연결해주는 장력이 있어야 하는데, 지표면과 구름 사이에는 장력이 없다. 따라서 대기층의 구름들은 지구 자전의 영향력보다는 다른 원리, 예를 들면 열에 의한 대류현상 같은 상호작용으로 관계를 맺으면서 운동하고 있다고 보는 것이 타당할 것이다.

또 구름의 운동 속도에 관해서 언급하면, 지표면에서 바라본 구름의 운동은 상대운동이기 때문에 구름이 멈추어 있고, 지구가 자전하면 우리 인간은 구름이 운동하는 것으로 인지한다. 상대운동이란 내가 정지해 있어도 상대방이 움직이면 내가 움직이는 것처럼 느껴지는 것을 말한다. 기차역에서 내가 탄 열차는 가만히 있는데 반대편의 열차가 움직이면 마치 내가 반대편 열차의 운행속도로 이동하는 것처럼 느껴지는 것이 상대운동이다.

결론적으로 말하면 구름을 포함한 지상의 대기들이 표면층으로 둘러싸인 지구의 자전하는 각 속도와 동일한 속도로 각 운동을 하고 있다고는 볼 수 없다. 결국 이 질문에서 공기와 구름으로  덮여있는 대기층의 공간을 지구와 같은 한 덩어리로 인식하는 가정의 오류로 인한 질문의 오류라고 본다.

지구를 바라볼 때 보통은 지구라는 구체의 중심으로 기준하여 하여 xyz라는 공간좌표를 상상하기 때문에 대기층까지 묶어서 한 덩어리 형태의 지구를 인식하게 된다. 만일 기준계를 바꾸면 한 덩어리가 아닌 두 덩어리의 지구로 나눌 수 있고, 이렇게 나눠진 지표층과 대기층의 상호작용으로 기상현상을 바라보면 좀 더 그 현상들을 이해하기가 용이할 것이다.

지구 전체를 지표로 기준으로 하여 구형의 고체 덩어리 층과 지표면에서 대기층까지 도넛모양의 기체층으로 구분하여 바라보면 구름의 각 속도와 지구자전의 각 속도가 동일하지 않다는 것이 이해가 쉽다.

지구의 대기권의 구조는 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나누고 있다. 구름은 이중 대류권에 속해 있는데, 지구표면의 자전속도와 대류권에 속한 구름의 각속도가 한데 묶여 연결된 같은 속도인지, 아니면 분리되어 별개의 속도로 운동하는 상대속도인지 단계별로 들어가보자.

위상수학으로 구분할 때, 지구의 지표면은 단일 위상이고 대기권은 2차위상이 된다. 그러므로 수학적으로는 명백히 지표면과 구름층은 하나의 덩어리가 될 수 없는 2개의 덩어리이다.

따라서 지구의 지표면과 지구의 대기층은 위상이 다르기 때문에 분리되어 있고 상호작용을 일으키고 있다.

이를 축구공과 타이어 튜브를 끌어들여 비유하면, 타이어 튜브 중앙에 축구공이 놓여 있고, 축구공 위에서 타이어튜브가 돌고 있는 현상을 바라보는 것이 우리가 현재 구름이 운동하는 형태를 바라보는 것과 같다. 축구공의 회전속도와 타이어튜브의 회전속도는 서로 상대속도가 되어 회전하는 지구라는 축구공 위에서 바라보면 타이어 튜브라는 구름은 멈추어 있어도 반대방향으로 회전하는 것처럼 보인다. 또한 구름이 회전하더라도 같은 속도로 회전하면 멈춘 것처럼 보인다.

이로써 지구 자전 속도와 대기층을 회전하는 구름의 각속도는 동일한 것이라고 보는 보는 것은 오류가 분명해 보인다.

결국 구름의 발생여부 정도에 따라 바람의 이동 속도가 시시각각으로 달라지는 이유는 구름이 발생하는 위치가 지표면에 가까울수록 대체로 공기의 흐름이 되는 바람의 속도는 더 빨라지고, 지표면과 멀수록 바람속의 속도는 대체로 느려지면서 때로는 공기의 흐름이 거의 멈추어 있는 것처럼 보이기도 한다.