지구가 대기로 덮여있지 않다면, 인류는 살아가지 못할 것이다. 대기가 존재하는 영역을 '대기권(Atmosphere)'이라고 한다. 대기는 지표에서 상공으로 갈수록 희박해지며, 지상 1000km 가까이 되면 거의 진공이 된다.
대기권은 일반적으로 지표에서 가까운 곳부터 차례로 '대류권', '성층권', 중간권', '열권'의 4개의 권으로 분류한다. 4개의 권은 공기가 희박한 정도로 분류되는 것은 아니다. 고도가 높아짐에 따라 수반되는 기온 변화의 방식을 바탕으로 분류된다.
0. 목차
- 대류권(Trophosphere)
- 성층권(Stratosphere)
- 중간권(Mesosphere)
- 열권(Thermosphere)
1. 대류권(Trophosphere)
대기권의 가장 아래층인 '대류권(Troposphere)'에서는 고도가 높아질수록 기온이 낮아진다. 실제로 산기슭보다 산꼭대기 쪽의 기온이 낮다는 사실은 잘 알려져 있다. 그 이유는 상공으로 갈수록 기압의 낮아져 공기가 팽창하기 때문이다. 공기 팽창해 에너지가 사용되어 기온이 내려가는 것이다. 대류권에서는 공기가 상승과 하강을 되풀이하여, 그에 따라 구름이 생기거나 비가 내리는 등의 대기 현상이 일어난다. 공기의 약 80%는 대류권에 존재한다.
낮은 위도대에서의 대류권계면은 상공 약 16km, 높은 위도대에서는 상공 약 8km가 된다. 한국에서는 여름철이 겨울철보다 대류권 계면이 높다. 세계 최고봉인 '에베레스트산(8848m)'도 대류권 안에 있다. 기온은 고도가 100m 올라갈 때마다 약 0.65℃씩 내려간다.
1-1. 대류권 계면
4개 권의 경계는 기본적으로 맨눈으로 볼 수 없다. 다만, '대류권과 성층권의 경계(대류권 계면)'은 볼 수도 있다. '소나기 구름'이라고 불리는 '적란운'의 꼭대기가 바로 '대류권계면'에 해당한다. 이 부분은 강한 '상승 기류'에 의해 발생한 적란운이 발달하면서 대류권계면까지 도달해 수평 방향으로 퍼진 것이다.
대류권처럼 아래층에 따뜻한 공기, 위층에 찬 공기가 있으면, 아래층의 공기는 상승하기 쉽다. 하지만 성층권에서는 상공 쪽이 따뜻하기 때문에 구름에 수반되는 '상승 기류'는 대류권계면에서 멈추게 된다. 이때 적란운을 비롯해 대류권의 구름은 '대류권 계면'보다 위로는 성장할 수 없다.
1-2. 대류권에서 볼 수 있는 것
- 제트기: 제트기는 고도 약 10~11km를 비행한다. 이 고도는 높은 위도대에서는 성층권이 되므로, 대부분의 구름을 눈 아래로 내려다보게 된다. 한편, 낮은 위도대에서는 대류권이 되어 '적란운' 사이를 비행하게 된다.
2. 성층권(Stratosphere)
대류권 윗면에서 고도 약 50km까지의 대기권인 '성층권(Stratosphere)'에서는 고도가 올라갈수록 기온이 높아진다. 이것은 성층권에 '오존층(Ozone Layer)'이 있어 태양에서 오는 자외선을 흡수해 대기를 가열하기 때문이다. 태양에서 오는 자외선에 의해 공기 속의 '산소(O2)'가 화학 반응을 일으켜 '오존(O3)'이 발생한다.
2-1. 오존층
2-1-1. 오존층은 언제 어떻게 생겼는가?
오존층이 언제쯤 형성되기 시작했는지는 잘은 모른다. 하지만 이론적 계산에 따르면, 오존층은 산소의 분압이 현재 대기 수준의 100분의 1에 이르면 형성되기 시작하는 것으로 생각된다. 분압이란 혼합 기체인 대기를 구성하는 기체가 각각 단독으로 전체 부피를 차지하게 될 때 나타나는 압력이다. 그리고 산소의 분압이 10분의 1이 되면 오존층이 현재의 성층권 근방에 형성되는 데 충분하다고 생각된다. 대기 중의 산소 분자가 자외선이나 벼락 등의 작용으로 산소 원자 2개로 분해되고, 그것에 다른 산소 분자가 와서 오존 분자로 바뀐다.
이렇게 생긴 오존 분자는 대기 모든 곳에 존재하지만 눈에는 보이지 않는다. 그러면 언제 어떻게 오존이 있다는 사실을 알게 됐을까? 대기 중에 오존이 존재한다는 사실을 밝힌 사람은 더블린 대학의 '월터 노엘 하틀리(Waltter Noel Hartley, 1846~1913)'로, 1881년의 일이다. 하틀리는 지상에서 관측한 태양 광선 스펙트럼의 세기가 어느 파장의 영역에서 매우 약하다는 사실에 주목했다. 그는 실험실에서 오존의 자외선 흡수 스펙트럼을 실측해, 이처럼 일부의 세기가 매우 약한 현상은 지구의 대기 중에 오존이 있다면 설명이 가능하다는 사실을 알아냈다. 나아가 그는 대기 중의 오존은 항상 존재하지만, 지표 부근보다 대기의 상층에 많이 존재한다는 이론을 세웠다. 그의 연구 성과는 나중에 오존층을 발견하는 계기가 되었다. 그리고 오존층에 자외선 차단 효과가 있다는 사실도 처음으로 알게 되었다.
2-1-2. 오존층은 파괴되고 있는가?
현재 인간이 생산하고 방출한 화학 물질이 오존층을 파괴하고 있다. 냉장고의 냉매나 스프레이에 이용되어 온 '프레온류(CCl3F 등)'는 대기 상층까지 올라가면 자외선에 의해 분해되어 '염소 원자(Cl)'를 방출한다. 염소 원자는 즉시 오존과 반응해 '일산화염소(ClO)'와 산소 분자가 된다. 염소는 오존 분해의 촉매와 같은 역할을 하므로, 오존 농도는 계속 감소한다. '질소 산화물(NO나 NO2 등)'도 오존을 분해하지만, 일산화염소와 질소 산화물이 만나면 오존을 분해하지 않는 '질산염소(CINO3)'가 된다.
남극 상공의 대기는 겨울 동안 아주 저온이 되기 때문에, 성층권에 '극성층권운'이라는 특수한 구름이 발생한다. '질소 산화물'은 이 구름의 표면에 흡착되어 떨어진다. 그 결과, 염소가 오존을 점차 파괴할 수 있는 상황이 되어 '오존 홀(Ozone Hole)'이 발생한다. 남극 이외에서도 오존의 양이 감소되고 있으며, 이대로 간다면 유해한 자외선이 지표에 도달하게 된다.
2-2. 성층권에서 볼 수 있는 것
2-2-1. 화산의 분연
거대 화산이 분화하면, 때로는 분연이 '성층권'까지 이르렀다가 수평으로 퍼진다. 성층권에는 비가 내리지 않기 때문에 분연의 미립자는 잘 낙하하지 않는다 이 미립자가 태양광을 가려서 '기상 이변'을 일으키기도 한다.
2-2-2. 진주운
'진주운' 또는 '진주모운'은 -78℃ 이하가 되면 생기는 저온의 구름으로, 고도 20~30km에 생긴다. 정식 명칭은 '극성층권운'이라고 한다. 황산이나 초산이 함유된 얼음 알갱이로 되어 있으며, 주로 남극 상공에서 발생한다.
2-2-3. 라디오존데
전파를 이용한 '기상 관측 기기'인 '라디오존데(radiosonde)'는 하늘 위로 높이 띄워보내서 구름의 밀도나 먼지의 양, 기압, 습도 등을 측정하는 1회용 대기요소 측정기기이다. 고무 기구에 매단 관측기구로, 마치 풍선이 하늘로 날아갈 것처럼 생겼다. '라디오존데'는 지상으로부터 고도 약 30km까지의 대기 상태를 관측할 수 있다. '레이윈존데(Rawinsonde)'라는 것도 있는데, 마찬가지로 고층 기상 관측에 쓰이는 관측 장비이지만 현재는 '라디오존데'를 가르치는 말로 쓰이고 있다.
세계 각지에서는 매일 정해진 시각에 '라디오존데'를 일제히 상공으로 날려 보낸다. 세계 고층기상관측망을 구성하는 모든 관측소에서는 '협정 세계시(UTC)'로 매일 0시와 12시에 2회씩 상층 기상요소를 관측하고 있다.
3. 중간권(Mesosphere)
고도 약 50~80km까지의 대기권인 '중간권(Mesosphere)'에서는 오존이 없어지기 때문에, 상공일수록 기온이 낮아진다. 중간권은 지상에서 날려 보내는 '라디오존'이 이르지 않는 고도이므로 규명되지 않은 부분이 많다.
3-1. 중간권에서 볼 수 있는 것
3-1-1. 야광운
'야광운(Noctilucent Clouds)'은 밤에 빛을 발하는 구름으로, 정식으로는 '극중간권운(PMC: Polar Mesospheric Clouds)'이라고 한다. -140℃ 가까이 되면 생기는 구름이다. 대부분이 75km 정도 상공의 고위도 지역에서 여름철 야간에 많이 발생한다. 통상의 구름이 지상~10km 부근에 생기는 데 비해, 야광운은 지상 약 75~85km의 '중간권계면'에 생긴다. 성분이나 생기는 메커니즘은 규명되지 않은 부분이 많다.
고도 20~30km에 생기는 '극성층권운'과 생기는 높이도 색도 다르지만, 지상에서는 구별하기 어려운 경우도 많다. 줄무늬 형태로 되어 있으며, 하늘하늘 움직인다.
3-1-2.스프라이트
'스프라이트(Sprite)'는 중간권에서 일어나는 발광 현상의 하나이다. 대류권에서 생기는 번개와 함께, 방전에 의해 발광한다고 생각된다.
4. 열권(Thermosphere)
고도 약 80km 이상인 '열권(Thermosphere)'에서는 다시 고도 상승과 함께 기온이 상승한다. 그 이유는 태양에서 오는 X선과 자외선이 대기를 가열하기 때문이다. 고도 1000km의 기온은 평균 700℃ 가까이 되지만, 대기의 분자 밀도가 매우 낮기 때문에 만약 열권 대기와 접촉한다고 해도 뜨거운 기운은 느껴지지 않는다.
4-1. 열권에서 볼 수 있는 것
4-1-1. 전리층
열권에서는 태양의 자외선에 의해, 질소나 산소 등의 분자, 원자로부터 전자가 튀어나가는 '전리(이온화)'가 일어나고 있다. 이처럼 태양 에너지에 의해 공기 분자가 이온화되어 자유 전자가 밀집된 곳을 '전리층(ionosphere)'이라고 한다. '전리된 가스(플라스마)'는 전파를 흡수, 반사하기 때문에 라디오 방송이나 무선 통신 등에 영향을 미치는 경우가 있다.
4-1-2. 오로라
'열권'에서는 태양에서 방출된 '태양풍(고속의 수소 원자핵이나 전자의 흐름)'이 '전리층(ionosphere)'에 부딪치면 높은 위도대에서 '오로라(aurora)'가 발생한다. 한낮과 야간 그리고 태양 활동의 강약에 따라 기온이 크게 변한다.