공기도 무게가 있는데 어떻게 중력을 이기고 공중에 계속 떠 있을까?

모든 물질은 무게가 있으므로 공중에 오래 머무르지 못한다. 공기 중의 먼지나 오염물질은 어떤 이유에 의해서 일시적으로 상승했다 하더라도 모두 땅으로 내려온다. 그런데 공기도 무게가 있는데 왜 공중에 계속 떠 있을까? 다시 말하면 공기가 끊임없이 작용하는 중력 가속도를 이기고 공중으로 상승하는 운동력은 어디서 나오는 걸까?

인간이 살아가는 대기 공간은 텅 빈 공간이 아니라 무언가 꽉 들어찬 공간이다. 그리고 정지해 있는 공간이 아니라 끊임없이 운동하는 시공간이다. 이에 더해서 열이라는 요소가 텅 빈 공간에 적극적으로 간섭을 하고 있다. 우리가 살아가는 지표면의 대기 공간은 사방으로 툭 터진 열린 공간이 아니라 보이지는 않지만 마치 벌집 모양처럼 온도와 중력에 의해 지역별로 구획된 공간에 살아간다. 이처럼 열은 시공간에서 층을 분리하는 역학을 한다. 즉 온도가 높은 곳과 낮은 곳의 밀도 차이는 우주의 층을 이루게 하여 가우스의 중력이 차별화되도록 한다.

대기 중에서 중력가속도로 낙하하는 물질을 방해하면서도 경우에 따라서는 중간지대에 머물게 하는 어떤 힘을 찾는다면, 그것은 열이라고 할 수 있다. 열은 온도가 높아지면 공간을 팽창시키고, 온도가 낮아지면 공간을 수축시킨다. 공기 분자들은 일정한 공간에 항상 일정한 수량인 1몰의 기체가 존재하는데, 수축이 되면 분자들 사이의 거리가 가까워지고, 팽창하면 분자들 간의 거리가 멀어진다.

지구의 대기공간은 지상에서 상공으로 올라갈수록 온도는 점점 내려간다. 대체로 1km마다 약 1도씩 하강하는 것으로 알려져 있다. 그렇게 되면 상공으로 올라갈수록 온도는 떨어지므로 기체분자들 사이의 거리는 점점 좁혀지게 된다. 이로써 지상에서 뜨거운 열에 의해 분해된 분자들이 지상에 올라가서 구름이라는 물방울이나 얼음조각이 되는 것이다.

이처럼 온도변화에 따라 기체분자들의 거리가 팽창 혹은 압추고디는 반면, 중력은 지상으로 올라갈수록 가우스의 밀도중력에 의해 점점 약해진다. 그러므로 공기분자들의 무게가 있어도 상공에 머물러 중력가속도의 영향으로부터 자유로울 수 있는 이유는 온도 변화와 중력의 밀도변화가 상호 반대방향으로 증감되기 때문이다. 이러한 이유로 일정한 무게를 갖는 공기들이 공중에서 열과 중력 사이에 평형상태를 유지하며 머물러 있게 되는 것이다.