KR20100081265A - 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 진잠재 불안정인 날에 지상가열을 통해 대류억제(CIN, Convective Ihibition, 이하 CIN이라 함)의 한계를 초월하는 상승기류를 지상에서 유발하여, 자연 속에 내재된 대류가능 포텐셜 에너지(CAPE, Convective available potential energy, 이하 CAPE라 함)를 활성화 되게 하여 인공으로 소나기가 내리게 하는, 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 인공강우를 실시할 지역의 대기가 진잠재 불안정 상태일 때, 해당 지역의 지표 공기를 가열하여 공기괴가 CIN을 극복하고 상승하여 스스로 CAPE를 활성화시키면서 강우를 유발하게 하는, 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

인공강수, 대류억제(CIN), 대류가능 포텐셜 에너지(CAPE), 진잠재 불안정(real latent instability), 상승기류, 소나기

Description

지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FACILITATING ARTIFICIAL RAIN BY GROUND HEATING}

본 발명은 인공강우를 촉진시키는 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 진잠재 불안정인 날에 지표가열을 통해, 공기층의 CIN을 초월하는 상승기류를 유발하여, 자연 속에 내재된 CAPE가 발동되게 하여 인공강수를 실현하는, 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

인공으로 비를 만들거나 강우량을 증가시켜 보려는 시도는 수도 없이 이루어져 왔다. 하지만, 지난 40여 년간 옥화은 등을 공중 살포하는 방법에서 거의 진전되지 못한 상태이다. 옥화은은 구름 속에 응결입자를 뿌리는 것으로, 이 입자가 응결핵이 되면 공기 중의 물을 흡수하여 응결되어 잠열이 방출된다. 이 때 배출된 잠열로 인해 가열된 공기가 부력을 초래하며, 이 부력이 상승기류를 더욱 발달시키며 상승기류가 응결을 촉진하는 양의 되먹임이 계속되게 하여 비가 오게 하는 방법이다. 그러나 이 방법의 효과에 대하여는 아직 회의적 시각을 가진 사람들이 많다. 실제로 옥화은을 살포하여 인공으로 비가 오게 한 것인지, 아니면 우연히 비가 더 온 것인지도 명확하게 밝혀지지 않았다.

또한, 옥화은을 공중 살포하는 방법은 항공기가 필요하여 경비가 많이 들며 아무나 할 수 없고 자주 하기도 어렵다. 더욱이 옥화은의 살포는 특정한 형태의 구름이 생길 때에만 할 수 있다. 그래서 인공강우는 1970년대 시작된 이래 큰 발전을 보이지 못했다.

그런데 옥화은의 살포가 없이도, 상승기류는 여러 가지 기상 및 지형효과에 의해서 자연 상태에서 빈번히 발생하였으며, 그 때문에 수만 년 간 비가 자주 왔다. 그 수만 년 동안, 비가 온 때도 있었지만, 올 듯 말듯 하다가 조건이 조금 모자라서 비가 오지 않은 경우도 많았다. 전문용어로 대기층이 진잠재 불안정으로 판정되는 날은 대부분, 소나기가 올 듯 말듯하다가, 실제로 왔거나 오려다가 만 날에 속한다. 반대로 비잠재불안정인 날은 비가 오지 않는다. 한반도에서 진잠재불안정은 여름철에 아주 자주 나타나는 현상으로 7, 8, 9월 92일 중에 약 50일은 여기 해당한다(겨울에는 잘 나타나지 않으며, 봄과 가을에는 드물게 나타난다). 진잠재 불안정인 날 중에 약 50%는 소나기가 왔다. 나머지 50%는 올 듯 말듯 하다가 비가 안 오고 만 것이다. 소나기가 올 조건에서 담뱃불 하나의 열량이 부족하여 소나기가 오지 않고만 경우에도 있었을 것이다. 진잠재 불안정인 상태인대도 불구하고 소나기가 유발되지 못하고 마는 경우는 공기괴가 CIN을 극복하고 상승하지 못하여 공기 중에 CAPE가 결국 활성화되지 못하고 사장되고 말았기 때문이다.

본 발명의 목적은 대류온도(Convective temperature, 이하 TC)를 넘는 공기 를 지표에서 인공으로 만들어 주어 상승기류, CAPE를 활성화, 그리고 강우 등을 동시에 유발되게 하는, 인공강우 촉진 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 대기를 가열하여 상승기류를 발생시키는 발열부재와, 상기 발열부재에 에너지를 공급하는 에너지원을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템을 제공한다. 상기 발열부재는 전열판, 제트엔진 및 가스 배관과 가스 배관에 형성된 화구를 가지는 가스 라인 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 에너지원은 전기 또는 화석연료를 포함한다. 상기 에너지원은 풍력발전기 또는 태양력 발전기를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 발열부재 상공에 옥화은 등의 구름 씨를 살포할 수도 있다.

또한, 본 발명은 인공강우를 실시하고자 하는 지역 대기의 진잠재 불안정 상태를 판별하는 단계와, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역 대기순환구조의 호조건 여부를 판별하는 단계와, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역 대기를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법을 제공한다. 상기 인공강우를 실시하고자 하는 대기를 가열하는 단계는, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 공기를 가열하여 상기 대기의 LFC(Level of Free Convection, 자유대류고도)까지 상승시키는 단계와, 상기 대기의 CAPE를 활성화하는 단계를 포함한다. 상기 대기의 CAPE를 활성화하는 단계는, 상기 가열되어 상승한 공기가 상기 대기의 CIN을 극복하여 CAPE가 활성화된다. 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 대기 순환구조 호조건 여부를 판별하는 단계는, 상기 인공강우 를 실시하고자 하는 지역이 하층 습윤속의 수렴인지 확인하는 단계와, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 상층 발산 정도를 확인하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 대기순환구조 호조건 여부를 판별하는 단계는, 상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역이 바람의 수렴을 유도하는 지형(즉 넒은 지역에서 바람이 흘러 들어가서 좁은 지역으로 나오도록 형성된 지형)인지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 인공강우를 실시할 지역의 대기가 진잠재 불안정 상태일 때 해당 지역의 공기를 지표에서 가열하여 상승기류를 만들고 이 상승기류가 CIN을 극복하게하고, 이후에는 더 이상 가열하지 않아도 자연 속에 포함된 CAPE가 폭발적으로 작용하여 상승기류가 강화되며 이에 따라 구름과 응결이 발생되므로 인공강우를 실시할 수 있는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 이미 강수가 진행되고 있는 경우에도 강수의 강도를 더욱 증가시키거나, 강수 시간대를 조절하는 방법, 인공강우 호조건인 날을 선택할 수 있는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 CAPE의 활성화를 도와주는 지형과 대기 순환을 선택할 수 있는, 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

이하 산위에서의 가열을 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 대기층의 가상 연직 구조를 나타내는 Skew T-Log P 선도에서 나타나는 CIN과 CAPE의 모습을 도시한 그림이다.

본 발명은 하층 공기를 TC이상으로 가열하여 계속적인 상승을 유발하게 하고자 하는 발명이다. 추가 투입된 열이 공기괴가 LFC까지 상승하는 에너지를 제공하는 것이다. 이후에는 공기괴 스스로가 CAPE를 활성화하면서 자연 속에 있는 에너지를 공급받으면서 계속 상승하게 되는데 이 때 자연 속에서 뽑아내는 에너지의 량은 도 1의 CAPE의 면적과 비례한다. 도 1은 CIN보다 CAPE의 면적이 훨씬 넓으므로 소량의 에너지를 투입하여 대량의 에너지를 얻는 원리임을 보여준다. 상승을 계속하는 동안 감온하면서 혼합비(Mixing ratio)가 작아진다. LFC에서는 크고 EL(Equilibrium Level, 평형고도, 공기괴의 상승한계)에서는 작은데 그 차이만큼, 비가 된다.

또한, TC를 초과하는 가열이 주어지면 공기의 상대습도를 낮추고 LFC의 고도를 높아지게 하는 등의 역효과를 낼 수도 있다. 그러나 CAPE면적을 더욱 넓게 하여 더 큰 상승에너지를 유발하게 하므로 무시해도 좋을 정도이다. 즉, 주변공기 보다 고온일수록 상승 속도는 강하며, 상승 속도가 강할수록 높게 올라가며, 높게 올라갈수록 많이 냉각되고, 많이 냉각될수록 강수량은 많아지므로, 가열이 강할수록 성 공 가능성이 높다. 여름철에 소나기가 잦은 것은 지표의 특정지역에 TC를 넘는 가열이 자주 발생하기 때문이다. 여름철에 진잠재 불안정은 흔히 발생하지만 그 때마다 소나기가 내리지 않는 이유는 첫째 지표 기온이 TC를 넘지 못하거나, 둘째 간혹 TC를 넘어도 주변기류에 의해 상승작용이 지속되지 못하기 때문이다. 따라서 첫째 경우는 TC가 더 높아지게 지표에서 열을 가하면, 비가 내리게 할 수 있다. 둘째 경우에도 가능한 방법이 머지않아 나올 것이라고 판단된다. 이런 경우는 진잠재 불안정은 형성되었으나 주로 중, 하층에 바람이 강하거나, 전 층에 강한 하강기류 또는 발산이 있는 날이다. 이런 경우는 흔하진 않지만 가끔 발생한다.

CAPE와 CIN이 가지는 에너지는 다음의 수식1과 수식2로도 각각 계산된다.

[수식1]

[수식2]

여기서, z는 고도이며, z_bottom과 z_top은 각각 CIN의 최하층과 최상층 고도이다. z_f와 z_n은 각각 CAPE의 최하층과 최상층 고도이다. Tv_env와 Tv_parcel은 각각 주변공기와 상승하는 공기의 가온도를 말하는데 기온으로 대치하여 사용할 수도 있다. 이는 CIN만큼의 에너지를 외부에서 가해주면 CAPE 만큼의 에너지가 내부에서 활성 화 되니 CAFE가 CIN보다 큰 경우는 효율이 좋은 엔진이 되는 것이다.

이상의 Parcel method에 대하여 알려진 연구결과가 더 있다. 아침에 CIN이 아주 적은 날(10m²s^-2이하)은 대류가 일찍 시작하여 작은 대류운이 생기면서 CAPE의 에너지가 소산되어 버리고, 비는 안 오는 경우가 많다. CIN이 15m²s^-2정도이면 대류가 오후에 시작되어 강한 대류운이 발달한다. CIN이 50m²s^-2정도이면 오후 늦게 강한 스콜라인이 발달하여 큰비가 내린다. CIN이 150m²s^-2이상이면 대류가 억제되어 대류운 자체가 생기지 않는다. 본 연구는 CIN이 15m²s^-2이상인 날에 비를 오게 하거나, 더 많이 오게 하거나, 비가 오는 시간을 앞당기거나 늦추는 발명을 제공한다. 150m²s^-2이상인 날도 자연 상태에서는 대류가 억제되나 본 발명에 따라 특정지역에 강한 상승기류를 일으켜 대류를 격발하면, 인근 지역에 억제된 CIN이 이 지점으로 집중하게 되어 큰비를 초래하는 경우도 생긴다.

물론, 전술된 parcel method 외에 slice method와 entrainment theory가 더 있다. slice method는 공기괴가 상승하면 주변 공기의 일부가 하강하는 것을 고려해 주는 방법이다. entrainment method는 공기괴가 상승하면서 혼자 상승하는 것이 아니라 주변 공기를 함께 흡수하여 상승하는 것을 고려해 주는 것을 말한다. slice method와 entrainment theory는 수치모델로 실험할 때 고려될 수 있는 효과로 parcel method의 이론을 더 정밀화 한 것일 뿐, 반대되는 개념이 아니므로 이하에 서 설명될 본 발명은 parcel method 에 준하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템의 모식도이고, 도 3은 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템의 발열부재의 개략 사시도이다. 또한, 도 4는 실제로 제주에서 관측한 2007년 7월 27일의 대기층의 연직구조를 나타낸 Skew T-Log P 선도이다.

본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 발열부재(100)와, 발열부재(100)에 에너지를 공급하는 에너지원(200)을 포함한다. 이때, 도 2에서는 발열부재(100)로 전열판을 도시하였으며, 에너지원(200)으로 풍력발전기를 도시하였다.

발열부재(100)는 인공강수를 실시할 지역의 공기를 가열하기 위한 것으로서, 전열판, 가스 라인, 제트엔진 등을 포함한다.

전열판은 도 3에 도시된 바와 같이, 다수개가 구비되어 고압선(300)으로 서로 연결될 수 있다. 다수개의 전열판은 서로 소정간격으로 이격되나 전체적으로 특정 지역의 공기를 효과적으로 가열할 수 있도록 근접하게 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 전열판은 고압선(300)에 의해 전송된 전기를 이용해 발열될 수 있으며, 이로 인해 해당 지역의 공기를 가열할 수 있다. 물론, 전열판이 넓은 면적으로 제작될 경우, 하나만이 구비될 수도 있다. 또한, 이러한 전열판을 사용할 경우, 가스의 연소를 이용하는 경우와는 달리 공기 오염을 방지하면서 상승기류를 제공하는 장점이 있다.

가스 라인은 가스의 연소에 의해 공기를 가열하기 위한 것으로서, 가스 배관 과 화구를 포함한다. 이때, 가스를 운송하는 가스 배관의 소정 거리마다 화구가 마련되며, 화구에서 가스를 연소시켜 발생된 불에 의해 공기를 가열시킨다. 또한, 가스 배관의 길이와 화구의 개수는 인공강우를 실시할 지역에서 상승시키고자 하는 공기의 온도에 따라 가감될 수 있다. 이러한 가스 라인은 인공강우를 실시할 지역을 집중적으로 가열할 수 있도록 똬리 형태인 것이 효과적이다.

제트엔진은 기관 내부에서 연소시킨 고온의 가스를 제트형태로 제트노즐, 즉, 분사구에서 분사시켜 그 반동력을 추진력으로 사용하는 열기관이다. 이러한 제트엔진은 적어도 하나 이상이 구비될 수 있으며, 바람직하게는 다수개의 제트엔진을 사용하여 인공강우를 실시할 지역의 공기를 가열하여 최대한 강하게 상승시킨다. 물론, 제트엔진은 전열판과 함께 사용되거나 가스 라인과 함께 사용될 수도 있다. 이 경우, 전열판 또는 가스 라인에 의해서 가열된 공기가 제트엔진을 통해 더욱 가열되며, 제트엔진의 강한 분사력에 의해 강한 상승기류를 유도할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 전열판과 가스 라인 및 제트엔진을 동시에 모두 사용할 수도 있다. 물론, 이를 위해 제트엔진의 흡입구는 가열된 공기가 존재하는 전열판 또는 가스 라인 방향으로 하고, 분사구는 가열된 공기가 상승해야하는 대기 방향을 향하는 것이 효과적이다. 또한, 상술된 제트엔진과 가스 라인을 사용할 경우 상승기류뿐만 아니라 응결입자까지 제공하므로 강수 촉발의 효과가 좋은 장점이 있다. 이 효과를 강화하기 위해 제트엔진의 배출구나 발열부재의 상공에 옥화은 등의 입자를 살포하여 상승기류에 많은 핵을 제공할 수도 있다.

한편, 본 실시 예는 발열부재(100)로 전열판, 가스 라인 및 제트엔진을 예시 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 인공강수를 실시할 지역의 공기를 가열할 수 있다면 어떠한 구조라도 발열부재(100)로 사용할 수 있다.

본 발명에서 설명된 발열부재(100)는 설치장소가 중요하다. 즉, 발열부재(100)는 고지대에 설치될수록 상승기류를 강하게 할 수 있고 쉽게 LFC까지 도달하게 할 수 있다. 반면에 저지대에 설치하면 수증기 흡수에 유리하다. 일반적으로 저지대에는 수증기가 고지대보다 많기 때문이다. 요약하면 기류를 수렴시키는 지형, 즉 공기의 병목 현상이 자연스럽게 유도되는 지형을 가진 계곡의 꼭대기가 최선의 자리이니, 한국에서는 대관령이 차령산맥과 광주산맥이 수렴하는 지형의 꼭대기에 해당한다. 그 외에도 수렴의 규모를 좀 더 작게 생각하여 살펴보면 산마다, 풍향에 따라 다양한 지역과 지형으로 기류의 수렴을 유도하고 있음을 알 수 있다. 따라서 각 경우에 따라 최적의 장소는 얼마든지 변경해가며 시행할 수 있다.

에너지원(200)은 발열부재의 발열을 위한 에너지를 공급하기 위한 것으로서, 전기와 화석연료 등을 포함할 수 있다. 이때, 상술한 전열판은 전기를 에너지원으로 하며, 가스 라인과 제트엔진은 가스와 항공유 등의 화석연료를 에너지원으로 할 수 있다. 또한, 전기의 경우 인공강우를 실시할 지역에 가설된 전기선을 이용할 수도 있으나, 이러한 방법이 용이하지 않을 경우 인근에 풍력발전기, 태양열 등과 같은 태양 에너지를 이용한 태양력 발전기 등을 설치하여 이용할 수도 있다. 물론, 본 실시예는 에너지원으로 전기와 화석연료를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 발열부재의 가열을 위한 에너지로 사용될 수 있다면 전기와 화석연료 이외에도 어떠한 물질이라도 사용할 수 있다.

한편, 본 발명은 발열부재의 가장자리를 둘러싸는 펜스(400)를 더 포함할 수 있다. 이때, 펜스(400)는 발열부재(100)의 전체 가장자리를 둘러싸도록 설치되어 사람 또는 동물의 발열부재 접근을 차단하는 것이 바람직하다. 또한, 강수의 진행 여부와 상관없이 발열부재(100)의 가열을 지속적으로 실시하면 더욱 많은 강우량을 얻을 수 있다.

상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전에 의한 전기 에너지로 산정의 전열판을 이용하여 지표 공기를 가열하면 산의 양측에서 공기가 수렴되면서 산정공기가 상승한다. 또한, 이에 따라 CIN을 극복하고 CAPE를 활성화시켜 구름을 만들고 강수를 유발한다. 이때 생성된 비구름은 한 곳에만 있는 것이 아니라 상층 바람에 따라 계속 이동하므로 강수역도 이동하게 된다.

제주에서 2007년 7월 27일 09KST에 관측한 결과를 Skew T-Log P 선도의 실제선도에 기입한 도 4를 보면서, 환경곡선을 이용한 간단한 계산 4가지를 제공하면 다음과 같다. 이하에서는 단열선도에 대해서 간략화하여 설명하였으며, 이에 대해 더욱 자세한 이론은 기상학 서적에서 참고할 수 있다.

첫 번째, 1000hPa의 노점온도가 섭씨 25도(혼합비는 21g/kg)이다. LCL(Lifted Condensation Level)은 970hPa가 된다. LFC는 780hPa가 된다. EL(구름꼭대기)은 약 150 hPa 이다. CAPE가 CIN보다 훨씬 크다. 여기서 지표의 공기괴를 780 hPa까지 상승되게 하는 에너지가 작용하면 CAPE가 활성화 되어 큰 비가 오는데 EL(150hPa, -65C)에서의 혼합비가 0이므로, 초기에 포함되어 있던 수증기 17g전부 가 비가 되어 버린다. 만약 공기 10kg이 상승했다면 210g 즉 210 mm의 호우가 내리게 되는 것이다. 이 때 공기괴를 LCL 까지 올리는 힘은 외부 바람장의 수렴이나 상승류가 만들어 주어야 하는데, 아직 이런 바람장을 인공으로 만들 방법은 없다. 자연에서는 대규모 대기순환장이 만들어 낼 때가 많다.

두 번째, 이 경우 CCL(Convective Condensation Level)은 925hPa 인데, 지표 기온이 섭씨 30도까지 올라가면 공기괴가 스스로 CCL까지 상승할 수 있게 된다. CCL에서 응결한 후는 포화단열곡선(우하에서 좌상으로 올라가는 녹색 실선)을 따라 상승하므로 LFC가 840 hPa(이하, LFC₂라 함)까지 낮아지며, 상기 첫 번째 경우보다 CIN은 좁아지고, CAPE면적은 더 넓어지고, EL의 고도는 더 높아졌다. 상기 첫 번째 경우와 같은 10kg의 공기만 가정해도 강우기간이 줄어든다. 상승속도가 증가하면 더 많은 량의 공기괴가 이 통로를 따라 상승할 것이기 때문이다. 그러나 CCL에서 LFC₂까지 공기괴를 상승시키기 위해서 또 다른 힘의 도움이 필요한데, 그 힘을 인공적으로 추가할 방법은 없다. 따라서, 이하의 세 번째 방법을 사용한다.

세 번째, 지표 기온이 섭씨 37도까지 상승하면 다른 힘의 도움이 필요 없이 공기괴는 LFC₂까지 도달하게 되고 앞서와 같은 많은 비가 내리게 된다.

네 번째, 지표 기온을 섭씨 50도 까지 상승 시키면, 지표공기의 상대습도가 무척 낮아지는데 이 경우 전개되는 과정은 숙고를 요한다. LCL₂ (지표 기온을 50℃까지 상승시킨 다음의 LCL)가 680hPa가 되니 구름 밑면의 높이가 무척 높아진다. 그러나 CAPE의 면적은 훨씬 더 증가하므로 상승속도는 더욱 증가하므로 강수량도 더 많아진다. 여기서 지표의 가열이 너무 심하여 LCL이 500hPa 이상으로 올라가게 되면 어찌 될 것인지는 아직 충분히 연구되어 있지 않다. 따라서 여기서는 두 가지를 고려할 수 있다. 여름철 소나기가 내릴 때에 지표공기의 가열이 아주 크지는 않으므로 광역에 걸쳐 약한 가열을 해도 되고, 협역에 대하여 강한 가열을 하여 상승하면서 혼합에 의한 광역 가열의 효과를 노릴 수 있다. 또 후자의 경우 수치실험을 통해 다양한 경우를 계산해 볼 수 있을 것이다.

그 외에도 얼마만한 양으로 얼마의 시간동안 가열해야 하는 지는 경우에 따라 달라진다. 일단 충분히 광역에 충분히 강한 가열을 하면 비가 생기는 것은 확실하나 가장 효과적인 투자비용을 찾기 위해서는 여러 번의 실험결과를 모아 분석해 가면된다. 이 가열된 공기가 주변공기와의 혼합에 의한 감온효과 등을 극복하고 계속 상승작용을 유지하려면 앞서 계산된 40℃ 보다 훨씬 더 많이 가열해야 한다.

1kg의 공기가 1m/s의 속도로 상승하는 경우, 1.5km를 상승하기 위해서는 약 25분이 소요된다. 따라서 LFC가 2km의 고도에 있을 경우, 약 35분 이상, 초당 1kg, 40℃ 이상의 더운 공기를 생산해야 한다. 초당 수십 내지 수백 kg을 생산해야 상승기류가 유지될 경우도 있겠지만, 단지 성냥불 한 개로도 대규모 상승기류가 형성되는 경우도 이론상으로는 생길 수 있다. 어찌하든 지표에서 자유대류 고도까지 공기가 상승하는 통로가 한번 열리면, 이 통로가 굴뚝 역할을 하게 된다. 그래서 그 다음은 인근의 공기가 이 굴뚝으로 모여들어 이 굴뚝을 따라 계속 상승하는 작용이 생기며 계속적인 상승은 계속적인 강수로 이어질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 인공강우를 실시할 지역의 대기가 진잠재 불안 정 상태일 때 해당 지역의 지표 공기를 가열하여 상승기류를 유발시켜 인공강우를 실현 한다. 상승기류가 CIN을 극복한 이후에는 더 이상 가열하지 않아도 자연 속에 포함된 CAPE가 폭발적으로 작용하여 상승기류가 자연적으로 강화되며 이에 따라 구름과 강수가 발생되는 것이다.

다음은 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법에 대해 도면을 참조하여 간략히 설명하고자 한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 대기의 진잠재 불안정 상태를 판별하는 단계(S_1-1)와, 대기 종관 구조의 호조건을 선별하는 단계(S_1-2)와, 자유대류고도까지 공기가 상승하도록 대기를 가열하는 단계(S_2-1)와, CAPE가 활성화 되어 공기가 스스로 상승하면서 응결이 촉진되는 단계(S_2-2)와, 강우가 시작되는 단계(S₃)를 포함한다.

대기의 진잠재 불안정 상태를 판별하는 단계(S_1-1)는 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 CAPE가 CIN보다 큰지를 판별한다. CIN과 CAPE는 Rawin sonde 관측 자 료를 Skew T-Log P 선도에 기록하여 판별한다. 이 단계에서 가능한 강수량이 어렴풋이 예측될 수 있다.

한편, 이러한 CIN과 CAPE에 의한 진잠재 불안정상태는 RAWIN SONDE의 관측결과로 판별한다. 국내에서 관측을 상시 수행하는 곳이 현재 일곱 군데 밖에 없으므로 특별한 지역에서는 이동형 관측을 추가로 실시할 수 있다. 국립환경연구원과 기상연구소 등에서 보유 중인 이동형 RAWIN SONDE를 이용하면 관측과 판별이 가능하다.

먼저 진잠재 불안정인지 아닌지를 판별하는 방법을 설명한다. Skew T- Log P선도에 환경곡선을 기입하고, 지표 기온에서 건조 단열곡선을 따라 상승하고, 지표 노점온도에서 포화혼합비선을 따라 상승하여 만나는 지점이 LCL이다. LCL에서 습윤단열곡선을 따라 상승하다가 본래의 환경곡선(기온)과 만나는 지점이 LFC이다. 이 LFC와 LCL과 지표가 형성하는 지역이 CIN이다. LFC를 넘어 습윤단열곡선을 따라 상승하는 공기가 본래 환경곡선(기온)과 다시 만나는 지점이 EL이다. 또한, EL과 LFC사이의 면적이 CAPE이며, CAPE가 CIN보다 면적이 크면 진잠재 불안정이라 한다.

진잠재 불안정이면서 더욱 인공강수 실험의 성공률을 높이기 위해 지형과 당일 대기 순환을 살필 수 있다. 하층 습윤속(moisture flux)의 수렴이 존재하는 날(여름에 자주 발생함), 상층 발산이 강해 상승을 유도하는 경우(인근에 제트류가 지나가거나, 상층 기압골이 접근하는 경우)를 선택하여 가열을 시도하면 더욱 좋은 효과를 얻을 수 있다. 이 때, 바람의 수렴을 유도하는 지형, 즉 산정에서 아래로 부채 모양으로 계곡이 펼쳐져 있으면 좋다. 반대로 바람이 아주 강하여 가열된 공 기가 상승하기 전에 혼합되어 부력을 잃어버리거나, 중, 상층의 기계적 하강류에 막혀 더 이상 상승하지 못하는 경우는 가열 정도를 최대로 올려도 성공하기가 쉽지 않을 것이다.

하층일수록 수증기가 많으므로, 가열을 시작하는 지점의 고도가 낮으면 수증기를 빨리 많이 모을 수 있고 구름의 형성 고도도 낮아진다. 그러나 LFC까지 공기괴를 올리는 시간과 가열량이 증가한다. 반대로 가열 지점의 고도가 높으면, LFC까지 상승시키는데 필요한 에너지가 상대적으로 적은 점은 좋으나, 상승 기류가 발달한 후에라야 저층의 습윤한 공기도 빨아들이게 되는 경우도 생긴다. 각각 장단을 가지므로 상황에 따라 선택할 수 있으나, 고지대에서 가열이 유리한 경우가 많다.

이런 날, 즉, 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 CAPE가 CIN보다 큰 날에 지표에 열을 주면, 이 열로 상승기류가 생기면서 공기괴가 CIN을 극복하고 LFC까지 도달하게 된다. 이 후에는 대기 속에 잠재되어 있는 CAPE가 활성화되어 상승에 필요한 부력을 스스로 공급하게 되므로 계속 상승하면서 수증기를 응결시켜 비가 내리게 된다.

공기괴가 가벼워져서 상승함에 따라 부력을 받는 사실에 대한 이론은 3가지가 있다. 첫째는 parcel method라 하는데 가열된 공기가 주변보다 가벼우면 부력을 받는다는 이론으로, 부력을 받는 공기외의 주변 공기는 완전히 정지 상태라고 가정하는 이론이다.

이러한 parcel method를 설명하기 위해 도 1을 참조하면, 우선, 지표(기온 30℃)에서는 공기가 건조단열곡선(황색)을 따라 상승하는데, 지표 노점온도(21C)에 서 포화 혼합비선(좌하에서 우상으로 그어진 녹색 직선)을 따라 연장된 선과 만나는 지점이 LCL이다. 이점에서 공기는 응결되므로 이때부터 상승하는 공기는 습윤단열곡선(우하에서 좌상으로 이어지는 녹색실선)을 따른다. 이렇게 상승하는 공기가 환경곡선(적색 굵은 선)과 처음 만나는 지점이 LFC(800 hPa 면)이며 두 번째 만나는 지점이 EL(Equilibrium level,약 180 hPa 면)이다.

지표 공기가 LFC까지 상승하려면 공기를 상승시켜 주는 에너지가 외부에서 작용해야 한다. 그래서 지표 기온점과 LCL과 LFC 3개의 점이 형성하는 면적을 CIN (또는 음성지역)이라 부른다. 한편 공기괴가 LFC 점에까지 도달한 이후에는 주변보다 밀도가 낮으므로 계속 부력을 받아 스스로 EL까지 상승한다. 이때 EL과 LFC를 형성하는 습윤단열곡선과 환경곡선이 만들어 내는 면적(도 1에서 청색면적)을 CAPE(또는 양성지역)이라 한다. 도 1처럼 양성지역이 음성지역보다 넓은 경우를 진잠재 불안정이라 한다. 반대인 경우는 위잠재 불안정이라 하고, 양성지역이 나타나지 않는 경우를 비잠재 불안정이라 하는데, 겨울철에는 거의 항상 비잠재 불안정이며 여름철에는 절반이 진 잠재 불안정이다. 봄과 가을에는 간혹 위잠재 또는 진잠재 불안정이 나타난다.

자연 상태에서 진잠재 불안정인 공기괴가 수증기의 추가 없이 이 CIN을 극복하는 에너지를 얻는 방법은 바람장에서 수렴이 형성되어 강제로 상승기류가 형성되는 경우와, 산맥을 따라 부는 바람이 뒤에서 밀어 역시 강제력으로 계속 상승하는 경우와, 하층이 가열되어 밀도가 낮아져서 공기괴가 스스로 LFC까지 상승하는 3가지의 경우가 있다. 하지만, 전자 2가지는 인공적으로 만들기가 거의 불가능하며 3 번째 방법에 가능성이 있다. 지표 가열로 인하여 공기괴가 스스로 CCL까지 갈 수 있는 온도를 TC라 한다. 대부분의 경우 CCL은 LFC와 같은 고도이나 가끔 CCL 넘어 다시 LFC 까지 CIN이 존재하는 경우도 있다. LCL을 넘는 공기로 계산하는 LFC는 여기서는 고려하지 않는다.

대기 종관 구조의 호조건을 선별하는 단계(S_1-2)에서는 하층이 습윤한지, 습윤 수렴이 있는지, 바람이 약한지, 15m²s^-2이상의 CIN이 있는지 등을 판별한다. 만약, 상기의 경우가 있다면 이는 모두 인공강우를 위하여 호조건이다. 반면에 하층에 바람이 강하거나, 중상층에 강한 하강기류가 있으면 악조건이다.

자유대류고도까지 공기가 상승하도록 대기를 가열하는 단계(S_2-1)는 상기 설명한 바와 같이 지표 공기를 가열하면 된다. 이때 광역 미온가열을 할 것인지, 협역 고온 가열을 할 것인지는 경제적 여건과 지형적 여건에 따라 달라진다. 적당히 가열된 공기는 CAPE가 활성화 되어 공기가 스스로 상승하면서 응결이 촉진되는 단계(S_2-2)로 돌입한다. 즉 스스로 대기 속의 에너지를 흡수하여 상승기류에 필요한 에너지로 바꾼다. 대기 중에서 생산되는 에너지가 CIN을 극복하기 위해 투입된 에너지 보다 훨씬 많음은 물론이다. 처음에는 부력에 의한 상승기류가 주류지만 시간이 지남에 따라 하층에 쌓인 습기와 잠재에너지가 상층으로 분출되는 수도꼭지 역할을 하여 훨씬 더 많은 에너지가 상승기류에 작용하게 된다. 따라서 이 상승 기류는 더 큰 기계적 에너지를 흡수하여 주변 바람장에 수렴장을 형성할 수도 있으며, 결과적으로 호우와 용오름까지도 초래할 수 있다. 이 경우 비를 오게 한 것은 좋으 나, 호우나 용오름은 재해도 초래할 수 있으므로, 조심하면서 추진해야 한다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 은 Skew T-Log P 모의 다이어그램에서 대기층의 가상 연직 구조와 CIN과 CAPE의 모습을 도시한 다이어그램.

도 2는 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템의 모식도.

도 3은 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템의 발열부재의 개략 사시도.

도 4는 제주에서 관측한 2007년 7월 27일의 대기층의 연직구조를 나타낸 Skew T-Log P 선도.

도 5는 본 발명에 따른 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법을 설명하기 위한 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 발열부재 200: 에너지원

300: 고압선 400: 펜스

Claims (10)

1. 대기를 집중적으로 가열하여 상승기류를 발생시키는 발열부재와,

   상기 발열부재에 에너지를 공급하는 에너지원을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 발열부재는 전열판, 제트엔진 및 가스 배관과 가스 배관에 형성된 화구를 가지는 가스 라인 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 에너지원은 전기 또는 화석연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 에너지원은 풍력발전기 또는 태양력 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,

   발열부재의 열 출구에 옥화은 등의 구름 씨를 살포하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 시스템.
6. 인공강우를 실시하고자 하는 지역 대기의 진잠재 불안정 상태를 판별하는 단계와,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 대기순환구조 호조건 여부를 판별하는 단계와,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역 대기를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 대기를 가열하는 단계는,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 공기를 가열하여 상기 대기의 LFC까지 상승시키는 단계와,

   상기 대기의 CAPE를 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 대기의 CAPE를 활성화하는 단계는,

   상기 가열되어 상승한 공기가 상기 대기의 CIN을 극복하여 CAPE가 활성화되 는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법.
9. 청구항 6에 있어서,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 대기순환구조 호조건 여부를 판별하는 단계는,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역이 하층 습윤속의 수렴인지 확인하는 단계와,

   상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 상층 발산 정도를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법.
10. 청구항 6에 있어서,

    상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역의 대기순환구조 호조건 여부를 판별하는 단계는,

    상기 인공강우를 실시하고자 하는 지역이 바람의 수렴을 유도하는 지형인지 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지상가열을 이용한 인공강수 촉진 방법.

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