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대기권
대기권(大氣圈, Atmosphere)은 지구를 둘러싸고 있는 대기의 범위를 말한다. 지상 약 1,000km까지를 이르며, 온도의 분포에 따라 밑에서부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눈다.
개요
대기권이란 우리가 살고 있는 지구를 에워싸고 있는 공기층을 말한다. 통상 대기권의 영역은 지표면으로부터 약 10,000㎞ 정도까지로 본다. 대기(atmosphere)라는 말은 희랍어의 수증기를 뜻하는 atmos와 구(球)를 뜻하는 sphaira 에서 유래되었다. 그러기에 지구를 둘러싸고 있는 공기의 층을 대기(atmosphere)라고 부르는 것이다. 중력으로 지구표면에 밀착되어 지구와 같이 서에서 동으로 회전하는 기체의 총칭이라 할 수 있다. 지구와 같이 짙은 표면 대기가 존재하는 천체에서 행성을 둘러싸는 기체층이 존재하는 권역을 이른다. 이는 천체의 중력에 의해 붙잡힌 가스층이며, 대기권의 두께나 구성 등은 중력과 해당 천체의 위치, 공자전주기 등 다양한 물리화학적 요인에 영향을 받는다. 대기권의 높이는 약 1,000km가 되지만 전체 공기의 99%는 중력작용에 의해 지상 약 32km 이내에 밀집되어 있다. 대기의 구성, 온도 등 물리적인 성질이 높이에 따라 달라지므로, 이를 토대로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눌 수 있다. 또한 이들 사이의 경계면을 대류권계면, 성층권계면, 중간권계면이라고 한다.
대기의 존재로 인해 지구는 태양의 직사광선에 무한히 가열되지 않는다. 야간에는 복사냉각에 의해 극저온으로 떨어지지 않는다. 또 대기는 유성이나 우주선(cosmic rays), 태양의 미립자, 복사 등 높은 에너지 입자의 침입으로부터 지구를 보호하고, 인류가 살아갈 수 있도록 산소와 맑은 공기를 공급해준다. 대기권은 지구에 생명체가 유지되도록 하는데 중요한 역할을 한다. 태양 등 지구 밖의 세계로부터 들어오는 해로운 빛을 흡수하고, 운석이 충돌하는 것을 막아 준다. 지표가 내는 열을 품어 지구를 보온해주며, 대류현상으로 열을 고르게 퍼뜨려서 지구 전체의 온도 차이를 줄여주기도 한다. 또한 대기권은 동식물이 호흡하는 데 필요한 산소를 포함하고 있다.[1][2][3]
타 천체들의 대기권
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.[3]
지구 대기권
지구의 대기권은 지표면으로부터 대류원에서부터 약 1000km인 열권의 높이까지 분포하며, 태양의 복사에너지를 흡수하는 동시에 지구 복사에너지를 일부는 방출하고 일부는 도로 흡수한다. 여기서 지구 복사에너지를 흡수하는 게 바로 잘 알려진 온실효과인데, 이것이 없었다면 지구 지표면의 평균 온도는 지금과 같은 14~15도 정도가 아니라 흑체복사를 통한 계산결과 영하 18도 정도였을 것이다. 그나마도 평균이 그렇다는 것이지, 실제로는 낮에는 백 도를 넘어가고 밤에는 영하 백수십 도로 떨어졌을 것이다.
지구에서는 지표면의 생명체를 보호하는 일종의 보호막 역할을 한다. 지구의 기온을 적절히 유지하고 수많은 생물들의 광합성에 필요한 이산화탄소를 제공한다. 지구는 탄소 기반 생명체에게 필수적인 산소가 대기층의 구성성분 중 21%를 차지하는 데다 유성과 같은 우주의 위험 요소들이 이 대기권 진입 과정에서 한 줌의 재로 화해버리는 덕분에 무사히 생명체를 잉태하고 길러내는 행성이 될 수 있었다. 따라서 들으면 지구의 각 요소들의 상호작용이 어떻게 다양한 자연 현상을 일으키고 생명 활동에 적합한 환경 유지 기여하는 지를 이해하는데 도움이 될 것이다.
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.[3]
구성 물질
아래는 지구 대기권을 구성하는 물질의 부피 비율이다.[3]
종류 비율 질소 78.084% 산소 20.946% 아르곤 0.9340% 이산화탄소 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%
지구 대기권의 구분
지구 대기권의 층은 조성(組成)뿐만 아니라 온도나 그 밖의 물리적인 성질이 높이에 따라서 다르며, 다시 몇 개의 층으로 분류된다. 지구 대기권은 특성에 따라 지표면에서부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권의 다섯 층으로 나눌 수 있다.
대류권
대류권은 지표면에 가장 인접한 대기의 층이다. 대류권은 지표면의 복사열에 의해 가열되므로, 고도가 높아질수록 온도는 낮아진다. (높이 1km마다 약 5°C∼6°C씩 고온이 하강하므로 상공으로 갈수록 기온이 낮아진다.) 즉 온도가 높은 공기가 아래쪽에 있으며, 이는 열역학적으로 매우 불안정하므로 쉽게 난류와 기상현상이 발생한다. 적란운(積亂雲)이나 뇌전(雷電)·태풍 등 변화가 많은 일기가 나타난다. 대류권에는 무거운 공기 분자가 모여있으며, 전체 대기 질량의 거의 80%가 모여있다. 대류권은 극지방에서는 지표면으로부터 7–8 km 정도까지의 영역이며, 적도지방에서는 더 높아 18 km 정도까지의 영역이다.
대류권의 윗면을 권계면(圈界面)이라 부르며 그 높이는 적도 지방에서 약 17km, 고위도 지방에서 약 10km에 달한다. 또 중위도 지방에서는 권계면 가까이에 제트기류(jetstream)라 불리는 강한 서풍(西風)이 불고 있다.
성층권
성층권은 권계면 위에 있으며, 기온은 대류권과 같이 하강하지 않고 거의 일정하다. 고도 20km를 넘으면 기온은 고도에 따라 상승하고, 고도 50km에서 극대(약－3°C)에 달한다. 성층권 중에는 그 중층(약 20∼25km)에 중심을 가진 오존(O3)층이 있는데 오존은 성층권의 가열 요인이다. 오존은 태양으로부터의 자외선을 흡수함에 따라 가열되며, 따라서 고도가 높아질수록 온도가 상승하게 된다. 높은 온도의 공기가 위에 있으므로 열역학적으로 안정되고, 이러한 이유로 난류가 발생하지 않으므로, 비행기 고도(11~13km)로 이용되기도 한다. 성층권은 대류권 위쪽에 위치하며, 대략 지표면으로부터 50km 정도까지의 영역이다.
중간권
중간권은 다시 고도가 올라갈수록 온도가 감소하는 영역이다. 이 영역에서는 대류현상이 일어나 약간의 구름이 형성되기도 하지만 기상현상은 일어나지 않는다. 지상 50km에서 80km까지의 높이이며, 야간운이 생기기도 한다.
열권
열권은 중간권 상부의 층으로, 올라갈수록 기온이 상승한다. 그 이유로는 열권의 밀도가 매우 낮기 때문에 적은 열로도 온도가 많이 올라간다는 것이 있다. 또 다른 이유로는 태양에 가깝다는 이유도 있지만 큰 영향력을 받지는 않는다. 이곳에서는 강력한 태양풍을 직접 맞아서 원자가 전리화되기 때문에 전리층으로 불리기도 한다. 강한 전리층은 전파를 반사하며, 이러한 반사 현상을 이용하여 원거리 무선통신을 하기도 한다. 지상 80–90 km에서 시작하여 500–1000 km까지의 높이이며, 오로라가 생기기도 한다. 유성 또한 관측되며 온도는 다시 상승하여 고도 300km에서는 약 800∼900°C에 달한다.
외기권
외기권은 지구 대기가 우주 공간과 접하는 최외곽 영역으로, 전리층을 넘어도 대기는 없어지지 않고 극히 희박하기는 하나 기체는 존재한다. 이곳에 존재하는 대부분 가스는 수소와 헬륨이며, 우주공간으로 빠져나가기도 한다. 외기권은 500~1000 km 상공에서 시작하며, 끝나는 지점은 특별한 의미는 없지만 10,000 km 정도까지로 생각하기도 한다. 지구 대기로부터 행성의 공간으로 건너올 때 온도는 1,000°C를 넘는다. 최근 인공위성에 의하여 방사능이 강한 공간이 관측되어 발견자의 이름을 따서 반 알렌 대(Van Allen Belt)라고 부르고 있다. 이것은 상공 약 2,000∼4,000km와 약 13,000km 내지 20,000km 되는 곳에 대상(帶狀)으로 분포되어 있는 강한 방사능대(放射能帶)이다.
그 밖의 층
크게 온도로 구별되는 5개의 층과 함께, 몇몇의 두 번째 층이 다른 특성에 의해서 구별된다.
- 오존층은 생명체에게 해로울 수 있는 단파 자외선을 97~99%가량 흡수한다. 지구 대기의 오존 가운데 90% 이상이 여기에 있다. 전리층은 태양으로부터 오는 복사에 의해서 대기가 이온화된 영역으로 오로라가 일어나는 층이다. 전리층은 낮 시간 동안 50~1,000km(31~621마일; 160,000~3,280,000피트)까지 확장되고, 중간권, 열권, 그리고 외권의 일부를 포함하고 있다. 하지만, 밤 시간 동안 중간권에서의 이온화는 멈추고, 그렇기 때문에 일반적인 오로라가 오직 열권과 외권의 낮은부분에서 일어난다. 전리층은 자기권의 안쪽 가장자리를 형성하는데, 이는 예를 들어, 라디오파의 지구로의 전달에 있어서 영향을 미치기 때문에 중요하게 다루어진다.
- 균질권과 비균질권은 대기의 가스가 잘 섞여 있는지 아닌지에 의해서 정의된다. 균질권의경우 대류권, 성층권, 중간권과 열권의 극소량 부분에서는 대기의 화학적 성분은 난류에 의해서 가스가 섞여있기 때문에 분자의 무게에 의존하지 않는다. 이러한 상대적인 균질권층은약 해발100km(62마일; 330,000피트) 지점인 난류권계면에서 끝난다. 이보다 높은 고도에는 열권의 대부분과 외권을 포함한 비균질권이 존재한다. 이 층의 화학적 성분은 고도에 따라 다양하다. 이는 섞여있는 상태보다 분자들 간의 충돌이 없이 이동할 수 있는 거리가 더 크기 때문이다. 이는 산소와 질소와 같은 무거운 분자들에게 비균질권의 바닥에만 존재하도록 계층화하기 때문이다.
- 행성간의 경계는 주로 난류 확산의 영향을 직접적으로 받는 지구의 표면에 가까이에 있는 열권의 일부분이다. 낮 시간 동안 행성간의 경계는 일반적으로 잘 섞이지만, 반면에 밤 시간에는 안정적으로 계층화되기 시작한다. 행성간의 경계의 두께는 얇을때는 100m, 잔잔한 밤에는 3,000m 또는 오후의 건조한 영역에서는 더 두껍다.
지구 표면에 있는 대기의 평균 온도는 14도이다.[4]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
