열권

열권(熱圈, thermosphere)은 대기권에서 중간권의 위쪽에 위치하는 영역을 말한다. 고도 80~500km 사이에 있으며, 고도가 높아짐에 따라 기온이 급상승한다.

개요

열권은 지구 대기권의 하나로 아래로는 중간권을 접하며, 위로는 외기권을 접하고 있다. 열권에서는 자외선 복사가 이온화를 유발한다. 오로라가 발생하는 공간이 열권이며, 국제우주정거장이 열권의 중간인 320km에서 380km 사이에 안정적인 궤도를 형성하고 있다. 열권을 의미하는 영어 낱말인 thermosphere는 "열"을 의미하는 그리스어인 θερμός (thermos)로부터 유래하였다. 열권은 지표면으로부터 대략 80km 정도에서 시작한다. 이 정도의 높은 고도에서는 남은 대기가스가 분자 질량에 따라 층을 이루며 정렬하게 된다. 열권에서는 고도가 높아짐에 따라 온도가 상승하는데, 이는 그래도 적게나마 남아있는 산소나 질소 입자가 높은 에너지를 지닌 태양 복사를 흡수하는 까닭이다. 온도는 태양 활동에 따라 매우 큰 차이를 보이며, 섭씨 2,000도까지도 올라갈 수 있다. 복사는 열권의 입자가 전하를 지니게 하며, 이러한 전하는 무선전파를 튕기게 해서 가시거리밖 통신을 가능하게 해준다. 열권은 지표면으로부터 500~1000km 정도까지 이어지며, 이 바깥은 외기권으로 대기가 희미해져 우주 공간이 되는 영역이다.

태양에서 오는 자외선을 열권에 있는 질소나 산소 원자가 흡수하기 때문에 고도가 높아질수록 온도가 증가한다. 태양 활동성은 열권의 기온에 영향을 많이 준다. 예를 들어 열권의 온도는 낮이 밤보다 약 200°C 더 높은데, 태양 활동이 활발할 때는 그렇지 않을 때보다 약 500°C 더 높다. 열권은 지구의 대기층이지만 실제로 공기의 밀도가 너무나 낮기 때문에 우주 공간으로 볼 수도 있다. 실제로 지구와 우주 공간의 경계라고 여겨지는 칼만선보다 고도가 높다. 우주왕복선(space shuttle)과 국제우주정거장(International Space Station, ISS) 궤도는 모두 열권에 포함된다.

특징

고도에 따른 기온 변화(출처: 한국천문학회)

열권은 지구 대기권을 기온의 연직 변화를 기준으로 4개의 층으로 나누었을 때, 가장 상층에 해당하는 영역이다. 열권은 지표에서 대략 80-1000km 사이에 해당하여 중간권 계면(mesopause)과 열권 계면(thermopause) 사이의 영역이다. 열권의 어원은 ‘열’을 의미하는 그리스어 θερμός (thermos)로부터 유래하였다.

열권은 대기의 밀도가 매우 희박하여 분자들 간의 충돌이 거의 발생하지 않지만, 산소와 질소 원자들이 태양복사 중 0.1㎛ 이하의 단파를 흡수하여 고도가 높아질수록 온도가 상승한다. 따라서 태양 활동에 따라 열권의 온도가 민감하게 변화하며 열권 내 온도는 분자의 운동에너지로 계산했을 때 500-2000K에 달하며 낮과 밤의 온도는 수백 도의 차이가 난다.

또한 열권은 태양과 가장 가깝기 때문에 강력한 태양풍에 직접적인 영향을 받아 원자가 전리화가 되어 전리층으로 불리기도 한다. 상부 중간권 및 하부 열권 사이에서 태양으로부터 받은 자외선과 X선으로 기체가 이온화된 자유전자들이 존재하는데, 이를 전리층(ionosphere)이라 한다. 이 자유전자의 밀도는 전파를 충분히 흡수 및 반사하여 전파 진행에 영향을 줘 무선 원거리 통신을 가능하게 한다.

열권에는 오로라 현상이 발생한다. 오로라는 태양풍 속의 플라스마 입자가 지구의 자기장에 이끌려 지구 대기에 진입하면서 공기 분자들과 충돌하여 발생하는 에너지가 빛으로 전환되며 발생하는 현상이다. 적은 양의 산소가 대기권 200km 이상 높이에서 적색광, 100-200km에서 녹색광이 방출한다. 나트륨 가스는 노란색, 네온 가스는 오렌지색 등 각 기체 분자마다 발하는 색깔이 달라 다양한 색의 오로라를 볼 수 있다.

구성

열권은 지표면에서 대략 80km에서 1000km 사이의 영역에 해당한다. 태양열을 흡수하기 때문에 고도가 올라갈수록 온도가 높아진다. 인공위성의 궤도로 이용된다. 열권은 중간권 위에 있는 층이다. 파장이 0.1㎛ 이하인 자외선을 열권에 있는 질소나 산소가 흡수하기 때문에 온도가 높아지며 대체로 고도 약 200km까지는 온도가 비교적 급격히 상승하지만 그 위에서는 서서히 상승한다.

열권에서는 대기 농도가 매우 희박하기 때문에 공기 분자가 서로 충돌하는 일이 거의 일어나지 않는다. 따라서 온도를 정의한다는 것이 매우 어렵다. 이 영역에서는 중성 입자와 이온화된 입자들이 독립적으로 운동하기 때문에 그들의 온도가 일정하게 나타나지 않는 것이다. 따라서 태양 활동에 따라 온도는 극심하게 변화한다.

전리층

열권의 하부에서는 희박한 대기가 태양의 자외선과 X선에 의해 강하게 전리되고 있어서 전리층(電離層, ionosphere)이라고도 불리우며, D층, E층, F층이 있다. 즉, 태양 에너지에 의해 공기 분자가 이온화되어 자유 전자가 밀집된 곳을 전리층이라한다. 전리층은 지상에서 발사한 전파를 흡수 반사하며 무선 통신에 중요한 역할을 한다. 이 전리층에서는 전파가 반사되기 때문에 원거리 통신을 가능케 해준다. 특히, 고도 약 90∼130km에 있는 E층은 중파(방송파)를 반사하며 그 위의 고도(150∼300km)에 있는 F층은 단파를 반사하는데 이 층들은 주간에 발달하고 야간에는 쇠약해지는 경향이 있다. 지표에서 약 50km 이상인 고도의 대기는 전자 또는 양이온이 많이 존재하며 전체적으로는 중성인데 일종의 이온화 플라스마를 형성하고 있는데 이 부분을 전리권(電離圈)이라고 한다. 이 전리권을 전자밀도의 수직분포의 모양에 따라서 세 영역으로 크게 나눌 수 있다.

• D 영역:90km 이하의 부분으로, 이 영역에서는 밤에 이온화가 거의 없어진다. 이 영역 내에 D층이라 부르는 전리층이 존재한다. 이 층의 최대전자밀도는 낮에 105∼103/㎤이다. D층은 매초 100kHz 이하의 장파를 제외하면 전파의 반사층이라 하기보다는 흡수층으로서 작용한다.
• E 영역:90∼160km 고도에서 대기분자가 주로 이온화한 상태에 있는 영역을 E층이라고 한다. 이 층은 최대전자밀도가 105/㎤ 정도로 저주파의 전파를 반사한다. 이 층에서는 중파를 반사한다.
• F 영역:160km 고도 이상을 말한다. 대부분 대기원자가 이온화된 상태로 있는 영역이다. 이 영역 내에서는 F층(야간)과 F1, F2층(주간)이 형성된다. F 영역은 최대전자밀도가 106/㎤ 정도로서 단파통신의 반사층으로서 아주 중요한 부분을 이루고 있다.

오로라

오로라(aurora)는 열권에서 발생하는데 공기밀도가 희박한 상층부 80~160km 높이에서 주로 발생한다. 즉, 태양에서 방출된 대전입자(플라스마)의 일부가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하면서 공기분자와 반응하여 빛을 내는 현상이다. 오로라가 나타나는 시기와 모양에 따라 고도가 다르고, 상하의 범위도 200∼250km, 드물게 1,000km에 달하는 경우가 있다. 100~250km 사이에 산소원자는 가장 일반적인 초록빛으로 빛나며, 250km 이상의 고층에서는 주로 적색으로 빛난다. 적색 오로라는 초록색 오로라보다 높은 곳에서 만들어지므로 상대적으로 멀리서 관측된다. 오로라는 대기 상층부에서 일어나기 때문에 밤하늘이 구름에 가리면 볼 수 없다. 간단히 엷은 구름사이로 보일 뿐이다.

오로라는 '새벽'이란 뜻의 라틴어로, 1621년 프랑스의 과학자 피에르 가센디가 로마신화에 등장하는 여명의 신 아우로라(Aurora, 그리스 신화의 에오스)의 이름을 딴 것이다. 극광(極光)이라고도 하고, 북반구에서는 노던 라이트(northern light)라 부르기도 한다. 동양에서는 적기(赤氣)라고도 한다. 위도 60도에서 80도의 지역에서 넓게 나타나며, 오로라대(aurora oval)의 크기는 항상 일정한 것이 아니라 태양의 활동에 따라 변한다.

오로라는 태양에서 날아온 대전입자가 지구 자기장과 상호작용하여 극지방 상층 대기에서 일어나는 대규모 방전현상으로, 태양은 항상 양성자와 전자 등으로 이루어진 대전입자를 방출하고 있다. 태양으로부터 모든 방향으로 내뿜는 이런 플라스마의 흐름을 태양풍(solar wind)이라 하는데, 태양에서 지구에 도달하는 대부분의 태양풍은 지구의 자기장 밖으로 흩어진다. 하지만 일부는 지구의 자기장에 끌려 반알렌대(Van Allen belt)라 불리는 영역에 붙잡힌다. 반알렌대는 조개 모양으로 지구 주위에 구부려져 있고 극쪽에서는 지표에 근접해서 구부려져 있다. 대기 속에서 공기 분자와 대전입자가 서로 충돌하면 기체 분자 내부의 전자가 여기(excitation)된다. 그리고 원래 상태보다 높은 에너지를 가진 전자가 다시 원래 상태로 돌아오면서 빛을 방출한다.

오로라의 빛깔에는 황록색·붉은색·황색·오렌지색·푸른색·보라색·흰색 등이 있다. 저위도 지방에서 나타나는 붉은색 오로라는 산소에서 나오는 파장 6,300 Å의 빛에 의한 것인데, 고위도 지방의 호상 오로라의 최하한에 나타나는 붉은색은 질소에 의한 것이다. 오로라의 밝기는 은하보다 약한 것부터 1등성만 보이는 새벽녘에도 볼 수 있는 것까지 폭넓게 변화하며, 가장 약한 것의 광도를 1이라 하면 가장 강한 것은 1만 정도의 값이 된다. 오로라의 하한고도는 드물게 1,000km 이상에 이르는 것도 알려져 있으나 대부분은 90∼150km 범위에 있다.

참고자료

• 〈열권〉, 《네이버 국어사전》
• 〈열권〉, 《위키백과》
• 〈열권〉, 《천문학백과》
• 〈열권〉, 《기상학백과》
• 〈열권〉, 《두산백과》
• 〈전리층〉, 《두산백과》
• 〈오로라〉, 《두산백과》

같이 보기

• 영역
• 고도
• 기온
• 지구
• 궤도
• 태양
• 대기권
• 중간권
• 외기권
• 지표면
• 자외선
• 대기가스
• 우주왕복선
• 국제우주정거장

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