공기 분자가 뜨거워져도 분자의 무게는 그대로인데 왜 위로 올라갈까?

과학자들은 공기의 대류 현상을 설명하면서 공기의 온도가 오르면 비중이 작아져서 위로 올라간다고 주장한다. 그런데 공기는 이웃 공기와 집단으로 다투는 것이 아니고 개별적인 분자들끼리 1:1로 다투므로 집단적인 개념에 불과한 비중은 공기의 대류 현상과 아무런 상관이 없다. 공기의 온도가 올라가면 비중만 작아질 뿐이며 개별적인 분자의 무게는 변화가 없으므로 온도는 공기의 대류에 아무런 영향을 주지 못한다. 그런데 왜 온도가 높은 공기가 위로 올라가는 것일까? 먼저 위와 아래를 생각해보면 위와 아래는 단순히 지구 중심적 사고이다. 지구 중심적 사고로 볼 때 아래는 지표면과 가까운 곳이고, 위는 지표면과 먼 곳이다. 이를 중력에 대입해보면 지표면과 가까울수록 중력이 강하고, 지표면과 멀수록 중력이 약하다는 것이다. 다시 비중과 밀도를 이용하여 중력과의 관계를 비교해 보면 비중은 밀도의 높낮이이다. 밀도가 낮으면 중력이 약하다. 이는 중력에 대한 가우스 법칙으로 증명된다. 이제 온도와 비중, 중력을 대입하여 공기의 대류현상인 상하 흐름의 관계를 살펴보면 온도가 높으면 공기의 밀도가 낮아진다. 공기의 밀도가 낮아지면 중력이 약해진다. 중력이 약해지면 지구표면과 멀어진다. 온도가 높은 공기분자들이 지구표면과 멀어지는 현상을 우리는 온도가 높은 공기는 위로 올라간다라고 표현한다. 온도가 높아지면 공기의 밀도가 낮아지면서 분자들의 중력이 약해지고, 이에 따라 지구표면과 점점 멀어진다. 그러다 지표면으로부터 멀어진 공기가 다시 밀도가 높아지면 지표면으로 내려온다. 이때 밀도를 높이는 역할은 차가운 온도가 담당한다. 결과적으로 온도가 공기의 대류에 영향을 미친다는 뜻은 공기 분자들의 밀도를 낮추거나 높인다는 뜻인데 이는 중력과도 연관이 있다. 이를 가우스의 중력법칙으로 설명해보자. 참고로 뉴턴의 중력공식이나 가우스의 중력법칙이나 결과는 마찬가지이다. 다만 밀도에 관하여 중력을 구하고자 할 때는 가우스의 중력법칙이 유용한다. 라플라시안과 그래드언트를 말하는 스칼라 양과, 중력상수, 밀도를 나타내는데 중력상수와 밀도의 내용만 보았을 때 중력의 크기는 밀도에 비례하는 것으로 나타난다. 여기에 온도가 높을수록 공기분자들은 팽창하게 되므로 공기분자들의 밀도가 낮아지게 된다. 공기분자들의 밀도가 낮으면 중력이 약한 것이다. 중력이 약하면 위치는 지표면으로부터 그 만큼 멀어지게 되고, 높은 곳에 위치하게 된다. 이로써 온도와 중력사이에 일정한 규칙성이 있다는 것을 알 수 있다. 중력의 세기가 온도에도 영향을 받는 것이므로 온도가 높을수록 공기는 위로 올라가는 것처럼 보인다. 하지만 정확히 표현하면 이는 온도가 올라가면 공간에서 공기분자들의 밀도가 낮아지고, 이는 중력이 약해지는 중력가속도의 역행 현상과 동일하기 때문에 공기가 지표면에서 멀어져 가는 현상이다. 중력과 중력가속도는 구분할 수 없는 거의 동일한 것이므로 이때는 공기분자라는 입자를 중력질량이라는 무게에 대입하지 말고, 중력가속도라는 가속도 운동방정식에 대입하면 무게와 상관없이 공기분자들의 대류현상을 명쾌하게 설명할 수 있다.