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대기 (자연)
대기(大氣, Atmosphere)는 천체의 주위를 대체로 일정하게 둘러싸고 있는 기체층을 말한다. 별다른 조건없이 '대기'라고 표현할 때에는 일반적으로 지구 대기권을 가리키는 말로 쓰인다. 생명체가 호흡할 수 있도록 해 주고, 운석이나 기타 위협적인 요소들로부터 생명체를 보호하기 위해서 필수적인 조건이다.행성을 사람이라고 치자면 대기는 옷이라고 생각하면 편하다. 태양계 위성 중에서는 타이탄이 질소 주성분의 대기를 가지고 있다.
목차
개요[편집]
대기는 지구 중력에 의하여 지구 주위를 둘러싸고 있는 기체(공기)이다. 구성 기체는 질소와 산소를 비롯해 아르곤, 이산화탄소, 네온, 헬륨, 크립톤, 제논, 오존 등이다.
지구는 기체로 둘러싸여 있으며, 이 기체는 거의 같은 높이의 기층으로 되어 있어 대기권(大氣圈) 또는 기권(氣圈)이라고 한다. 대기권을 구성하고 있는 기체를 총괄하여 대기라고도 한다. 대기는 여러 가지 기체의 혼합물이다. 대기의 하층에서는 공기의 운동에 의하여 상하의 공기가 잘 혼합이 되므로 상당한 높이까지 조성비(組成比)가 일정하다. 지표 부근에서 수증기를 제외한 건조공기의 성분은 그 부피백분율로 따져서 약 78%가 질소 N2, 약 21%가 산소 O2, 0.93%가 아르곤, 0.035%가 이산화탄소, 그 나머지는 미량의 네온·헬륨·크립톤·제논·오존 등으로 되어 있다.
지구 대기권[편집]
지구의 대기권은 기체층으로 지표에서 고도 약 1000 km까지 존재한다. 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며 그 외에 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등의 희소 기체가 포함되어 있다. 수증기를 제외한 공기 성분은 약 80 km까지 거의 일정하다.
지구 대기권은 고도에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권 등으로 구분된다. 기상의 변화는 대류권에서 나타나며 다른 권역에서는 오존층의 생성, 전자기파의 반사와 같은 성질을 보이는 특이층이 존재한다.
지구 대기의 운동[편집]
공기에는 여러 가지 힘이 작용하고 있다. 그 중에서도 가장 중요한 힘은, ⑴ 기압이 위치에 따라 다르므로 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 미는 힘 ⑵ 지면(地面) 마찰의 힘 ⑶ 지구가 회전하고 있기 때문에 작용하는 힘 등이다. 주로 이 세 가지 힘의 균형에 의하여 바람은 여러 가지로 변한다. 한마디로 바람이라 해도 실제로는 매우 복잡하며 강하게 불었다가 약하게 불었다 하기도 하고 또 풍속에 따라 풍향도 좌우로 조금씩 흔들린다. 이것을 '바람의 숨'이라 한다. 또 지형은 수평면이 아니고 건물도 있으므로 저항이 작용하여 수많은 작은 소용돌이가 발생하여 불어오므로 순간풍속은 일정하지 않다. 따라서 10분간의 평균을 산출한 평균 풍속을 일반적으로 풍속이라고 부르고 있다. 공기의 운동은 바람이 부는 것으로 알 수 있으므로 같은 시각에 각 지방에서 바람 관측을 하면 운동 상태를 알 수가 있으나 규모에 따라 여러 가지 운동으로 나눌 수 있다. 그 중 가장 규모가 큰 운동이 지구를 둘러싸고 있는 대기의 흐름으로서 이것을 대기의 대환류(大環流)라 한다.
지구 대기의 역할[편집]
지구 대기의 역할은 생명체에 산소 공급, 온실 효과를 통한 지구 보온, 태양(Sun)으로부터 오는 자외선 차단, 저위도의 에너지를 고위도로 운반, 운석으로부터 지구 보호 등이 있다.
대기 순환[편집]
대기 순환(大氣循環) 또는 대기 대순환(大氣大循環)은 전 지구적인 대기 운동으로 세개의 연직 순환(鉛直循環)과 세개의 항상풍으로 이루어져 있다.
다른 천체들의 대기권[편집]
대기권을 기체로 이루어진 층이라고 할 경우 목성형 행성들은 대기층이 여러겹으로 된 형태라고 할 수 있다. 실제로 육안으로 보이는 목성의 표면은 대기활동이 이루어지고 있는 기체층이며 그 표면을 뚫고 가도 밀도가 더 높은 가스가 몇겹 더 이루어져 있을 것으로 추정되고 있다. 지구에선 보통 해수면에서부터 해발고도 1,000㎞ 정도 높이까지의 영역을 대기권이라 하나, 그 외부의 외기권이라는 개념까지도 포함하기도 한다.
달에도 대기권이 있기는 하나, 기압이 지구의 10조분의 3밖에 되지 않아 실질적으로 진공 상태와 같으며 기상 현상도 없다. 구성 물질은 헬륨, 네온, 수소, 아르곤이 대부분을 차지한다. 해왕성의 위성인 트리톤도 대기를 가지고 있으며 타이탄과 함께 유이하게 기상현상이 관측된 위성이다. 명왕성의 경우는 질소 대기가 우주 공간으로 조금씩이나마 탈출하고 있다. 지구의 대기조성은 약 질소 80%, 산소 20% 정도로 이루어져 있으나 이런 대기조성은 행성마다 다르다. 당장 금성만 해도 이산화 탄소로 이루어진 두꺼운 대기를 가지고 있고, 토성의 한 위성인 타이탄은 메탄이 순환하는 대기를 갖는다.
사실 처음부터 대기권에 산소가 있었던 것은 아니고, 원시 지구에는 이산화 탄소, 질소, 수증기 등이 가득했었던 것으로 추정된다. 지구 진화 과정에서 바다의 형성과 함께 다량의 이산화 탄소가 녹아들어가 수증기와 이산화 탄소의 비율은 감소하였고, 산소를 배출하는 생명체의 출현, 번식으로 인해 산소가 급증하기 시작, 최대 30%까지 찍을 만큼 많아졌다가(석탄기), 페름기 대멸종의 시기에 극단적으로 줄었다가 다시 조금 회복(백악기에서 K-T 멸종직전까지), 현재의 21%로 다시 줄어들었다.
대기가 지표면에 가하는 힘을 기압이라고 한다.
지구 대기권의 구성 물질[편집]
종류 비율 질소 78.084 % 산소 20.946 % 아르곤 0.9340 % 이산화 탄소 0.039445 % 네온 0.001818 % 헬륨 0.000524 % 메탄 0.000179 % 크립톤 0.000114 % 수소 0.000055 % 아산화질소 0.0000325 % 일산화탄소 0.00001 % 수증기 전체 0.4% / 지표면 1~4%
부피백분율은 장소에 따라 변하는 값이다. 예를 들면, 이산화탄소는 식물의 호흡작용에 의해 소비되나, 동물의 호흡으로 배출되기도 하고, 연소나 화학작용에 의해 생성되기도 하므로 그 양은 장소와 계절에 따라서 변한다. 공업의 발달로 대기 중의 이산화탄소는 조금씩 증가하는 경향을 보이고 있다.
특히 오존은 지상에서 20∼50km 높이에 다량 분포되어 있으며, 공기 전체 부피에 비해 이산화탄소와 오존은 비록 적은 양이지만 기상에 미치는 영향은 크다. 여러 고도에서 공기의 시료(試料)를 채취하여 분석한 결과 이산화탄소와 오존을 제외하고 대략 80km 까지는 조성의 기체가 일정하게 분포되어 있음이 밝혀졌다.
아주 높은 상공에서는 공기의 상하운동이 거의 없어서 혼합작용이 감소되므로 공기 분자 자체의 분자운동으로, 성분기체 중 무거운 기체는 아래쪽으로, 가벼운 기체는 위쪽으로 확산 분리하게 된다. 인공위성 관측에 의하면 대기는 지상 120km 층까지 주로 질소와 산소로 되어 있고, 120∼1,000km 층은 산소 원자로, 1,000∼2,000km 층은 헬륨으로, 그 이상 1만km까지는 수소로 되어 있어 조성별로 성층(成層)을 이루고 있음이 밝혀졌다.
층상 구조[편집]
대기권은 온도 및 구성성분의 차이에 따라서 몇 개의 층으로 나누어진다.
대류권[편집]
대류권은 지면으로부터 대류권 계면(Tropopause)까지의 영역을 의미하며, 인간을 비롯한 수많은 동식물들이 숨쉬고 혜택을 입는 영역이다. 지구의 대기중 약 80%가 대류권에 존재하며 대류권 계면에 이르기까지 고도가 상승할수록 온도는 계속해서 감소한다. 일반적으로 안정적인 대기라 하면 낮은 곳이 차갑고 높은 곳이 따뜻해야 하는데, 대류권의 경우 지면이 태양에 의해 가열되므로 거꾸로 낮은 곳이 더 따뜻한 것. 당연히 이러한 불안정은 대류현상을 일으키고, 그 와중에 수증기로 인해 초래되는 모든 권역내 변화들이 바로 우리가 흔히 날씨라고 부르는 것들이다. 대류현상이 없을 때에는 맑고 쾌청한 날씨가 될 수도 있지만, 공기가 정체되어 미세먼지나 황사가 빠져나가지 않을 수도 있고, 대류현상이 심하면 심할수록 지상에는 헬게이트가 열린다. 극단적일 경우 이런 괴물도 만들어질 수 있다.
엄밀한 정의에 따르면, 킬로미터당 섭씨온도가 5~6도정도 떨어지는 최저 고도가 대류권 계면이 된다. 대류권 계면에서는 기온이 영하 55도에 이른다. 대류권 계면의 높이는 지역마다, 계절마다 천차만별인데, 일반적으로는 10~11㎞ 정도를 잡고 있지만 극지방의 경우 7㎞까지 낮아지기도 하고 열대지방의 경우 16㎞까지 높아지기도 한다. 이는 권역의 구분이 온도에 의존하기에 벌어지는 일이다.
대류권은 단거리 여객기들이 운항하는 고도이기도 하다. 물론 이 때문에 격렬한 폭풍우는 여객기들의 항로를 가로막는 장애 요인이 된다. 국제선 여객기의 경우 대류권 계면 상부에서 날게 되는데, 아무래도 대류현상으로 인한 난기류(Turbulence)가 적고 온도도 낮다 보니 여러 모로 운항에는 유리하다. 일부 위도대의 대류권계면 근처 공역에는 제트 기류(Jet Stream)라고 불리는 초강풍대가 위치해 있어서, 처음으로 이 고도를 날던 B-29 폭격기 조종사들은 "요새를 되밀어내는 힘" 에 적잖이 당황할 수밖에 없었다고 한다.
성층권[편집]
성층권은 대류권 계면에서 성층권 계면(stratopause)까지의 영역을 의미하며, 고도가 상승할수록 온도가 계속해서 증가한다. 즉 다시 말해서 극히 안정된 대기층이라고 할 수 있다. 여기서부터 기상현상은 일어나지 않는다. 보통은 성층권 내의 해발 20km 즈음에 위치한 오존층으로 특히나 유명하다. 성층권에 존재하는 산소와 오존이 자외선을 상층에서부터 흡수하면서 발생하는 열로 상층부터 뜨거워져 성층권 상층이 온도가 높고, 대류권계면까지 내려갈수록 가열이 적어져 차가워진다. 기상현상은 많지 않은데, 그나마 언급할 만한 것이 Polar Stratospheric Cloud 내지는 진주구름(nacreous cloud)이 있다. 상층대기 번개 중에서는 블루 제트(blue jet)가 발생하는 권역이기도 하다.
일반적인 중장거리 민항기가 순항하는 고도가 성층권 하부, 대류권계면 상부이다. (30,000~40 000 ft. 전후) 보통 25km를 기점으로 성층권 상,하부를 나누는데 그 중간에 있는 게 오존층.
성층권은 대기과학자들이 기상관측 기구를 띄우거나 군대에서 U-2 정찰기를 20~30km 높이에서 굴리는 권역이기도 하다. 한때 외계인 고문의 산물이라고 불렸던 SR-71 역시 이 높이로 날아다녔다. 민항기를 이 고도에서 굴리는 방안도 이미 콩코드라는 여객기로 나타났었다. 폭격기를 이 고도에서 굴리는 것도 거의 현실에 가까워져 있다. 대중매체에도 이런 아이디어는 흔히 찾아볼 수 있는데, 일례로 커맨드 앤 컨커3 타이베리움 워에 등장하는 공군 유닛 파이어 호크는 성층권 급강하 기술을 통해 게임상에서 거의 순간이동에 가까운 효과를 얻을 수 있다.
성층권 계면은 대략 해발고도 50km 정도에 해당하는데, 뜻 밖에도 이렇게 까마득히 높은 곳임에도 불구하고 온도 자체는 대략 5도 정도이다. 물론 앞에서 언급했듯이 성층권 계면은 자외선이 산소와 오존에 의해 흡수되며 가열이 시작되는 곳이기 때문이다. 물을 떠두고 온열기로 위에서 가열한다고 가정한다면 물의 표면인 위부터 뜨거워지는 것으로 예를 들 수 있다.
- 오존층
오존층은 지상 20~30km에 걸친 상공의 성층권에 비교적 고농도의 오존이 존재하는 층이다. 온도 분포가 주로 오존의 복사성질에 의해 결정되며, 지상 25 km 부근의 농도가 가장 높다.그것도 지역마다 약간씩 달라서 극지에서는 농도가 높고 적도 부근에서는 농도가 낮다. 극지 오존 정보는 파먼에 의해 발견되었다.
과학자들은 오존층의 오존의 무게를 약 30억톤으로 추정하고 있으며, 1기압에서 지표면에 쌓을 경우에는 두께 3mm 정도로 매우 얇다.
중간권[편집]
중간권은 성층권 계면에서 중간권 계면(Mesopause)까지의 영역을 의미하며, 고도가 상승할수록 온도가 계속해서 감소한다. 달리 보자면 대기권 내에서 가장 지독하게 추운 곳. 대류권과 마찬가지로 대류의 불안정이 존재하지만, 대류권과 달리 수증기가 없기 때문에 중간권에서는 날씨현상이 일어나지 않는다. 기상현상 역시 많지 않아서, 가장 높은 구름으로 불리는 야광운(Noctilucent Cloud)이 대략 75km 상공에서 나타나며, 상층대기 번개 중에서는 스프라이트(Sprite)와 자이언트 제트(Giant Jet)가 발생하는 권역이기도 하다.
인간활동 중에서는 대기권 진입이 50~100km 고도인 만큼 이를 지목해 볼 수 있다. 사실 이와 마찬가지 원리로 유성 역시 바로 이 고도에서 관측 가능한데, 지구 대기권 내로 진입하던 우주의 물체들은 이 근방에서 고밀도 공기층과 마찰을 일으키면서 최대 6,000도에 이르는 고온으로 가열, 플라즈마화하기 때문이다. 사실상 지구의 방패라고도 할 수 있는 권역이다.
중간권 계면은 해발고도 80km 정도에 해당하고, 그 온도는 영하 95도에 이른다. 중간권이 이처럼 추울 수밖에 없는 이유는 태양으로부터도 멀리 떨어져 있고, 그렇다고 지표의 복사열을 받자니 지표로부터도 너무 멀기 때문이다. 설상가상으로 적외복사로 인해 그나마 있는 열까지 계속 빼앗기는 상황이며 심한 경우 중간권 계면에서는 영하 130도까지 내려가기도 한다고 한다.
열권[편집]
중간권 계면에서 열권 계면(Thermosphere)까지의 영역을 의미하며, 고도가 상승할수록 온도가 계속해서 증가한다. 이는 열권의 입자들이 태양 복사열을 흡수하기 때문인데, 이 때문에 일반적으로 고도 200km 정도까지는 입자가 많으므로 급격한 상승이, 그리고 그 이후부터는 완만한 상승이 관찰된다. 이 권역에서는 입자들이 너무 희박해서 공기 분자들이 서로 충돌하는 일도 드물고, 희박한 중성 입자들이 태양의 자외선과 X선에 의해 이온화되는 전리층(Ionosphere)이 열권 하부에 존재한다. 전리층은 무선 통신에 핵심적인 층이다. 여기가 없으면 무선 전파가 지구 밖으로 튕겨 나간다.
기상현상은 찾아보기 어렵지만 대략 고도 100km 정도에서 상층대기 번개의 일종인 엘브스(Elves)가 관찰되며, 오로라가 175km, 드물게 1,000km 높이까지의 범위에서 나타난다. 초록색은 250km 이하이므로 더 자주 관찰되지만, 적색은 250km 이상이므로 더 드물게 보인다. 열권에 위치한 지상으로부터 고도 100km 지점부터 우주로 정의한다. 즉 이 경계선 아래는 대기이고 위는 우주인 셈. 이를 나누는 경계선의 이름은 '카르만 라인(Karman Line)'이라고 한다.
인간 활동의 경우 보통 300~500km 고도에 ISS를 비롯한 인공위성 궤도가 존재한다. 또한 전하를 갖고 있는 열권의 입자들(이를 '전리층'이라 한다)은 전파를 반사시키기 때문에 단파방송 등 장거리 통신기술에도 활용되고 있다. HAARP라는 이름의 연구소가 바로 이 영역에 대한 연구를 수행중이다. 열권 계면의 경우 태양 활동의 변화에 극심하게 영향을 받는 지역인데, 고도 135km쯤 되면 지표면보다 더 높아지고 심할 경우 그 온도가 2,000도까지 치솟기도 한다. 열권 계면의 정확한 위치 역시 대류권 계면과 마찬가지로 크게 변동하기에 확신할 수는 없지만, 대략 750km 정도를 열권 계면의 고도로 잡고 있는 상태. 산소가 많은 지역인데, 여기서부터는 원자들이 궤도입자(軌道粒子)화하기 시작한다.
몇몇 자료에서는 열권의 온도가 몇백 도~1,000도에 이르는 것으로 설명하는데, 이는 온도의 정의를 분자의 운동에너지(이동속도)로부터 계산하기 때문이며, 대기권의 최상층인 열권에서는 분자 수가 적기에 충돌없이 빠르게 움직일 수 있기 때문이다. 물론 공기의 밀도가 매우 낮기 때문에 열권에 들어온 우주 비행사는 화상을 입지 않는다.
외(기)권[편집]
대기권의 일부로 취급하지 않기도 하지만, 포함시킬 경우 이 공간은 열권 계면에서부터 외우주까지에 이르는 불분명한 범위의 광막한 공간을 의미한다. 수소와 헬륨으로 이루어진 지극히 희박한 공기는 중력을 이겨내고 외우주 공간으로 이끌려 빠져나갈 수도 있다. 심하게 말하면 지구가 대기를 구성하는 입자들을 잃어버리는 영역. 사실상 외기권에는 계면 같은 것은 존재하지 않는데, 그 이유는 외기권의 외곽에서는 대기 입자들이 행성간 물질과 일체화하기 때문이다. 그래도 굳이 따지자면 대략 10,000km에 가까운 범위를 잡을 수 있다.
외기권 외곽에는 밴 앨런 대(Van Allen belt)가 존재하며, 이는 미국의 과학자이자 발견자인 J.A.밴 앨런의 이름을 따서 붙여진 것이다. 그 외에 특기할 만한 자연적 특징은 딱히 없다. 인간 활동의 경우 아폴로 계획을 통해 단 28명 만이 외기권을 사람이 통과한 적이 있고[12] , 보이저 탐사선과 같은 여러 탐사선들 역시 외기권을 통과한 바 있다. 음모론 중 인간이 이 공간에 존재하는 밴 앨런 대의 위험성을 막아낼 방법이 아직 없다는 주장이 있는데, 이에 관한 주장과 반박에 대해서는 아폴로 계획 음모론을 함께 참고.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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