1. 지구의 대기

지구 대기 개관

대기(atmosphere)는 지구를 둘러싼 기체층이다. 그 두께는 수백 km에 달하지만, 상층으로 갈수록 기체 밀도는 지수적으로 감소하여 99%의 공기가 지상 30 km 이내에 자리하고 있다.

대기는:

  • 일교차를 줄여 준다.
  • 생명체가 호흡할 수 있도록 한다.
  • 태양광선 및 우주선으로부터 생명체를 보호한다.

대기의 조성

영구기체 변량기체
기체 기호 % 기체/입자 기호 % ppm
질소 N2 78.08 수증기 H2O 0~4
산소 O2 20.95 이산화탄소 CO2 0.039 380
아르곤 Ar 0.93 메탄 CH4 0.00017 1.7
네온 Ne 0.0018 아산화질소 N2O 0.00003 0.3
헬륨 He 0.0005 오존 O3 0.000004 0.04
수소 H2 0.00006 먼지, 검댕 0.000001 0.01~0.15
제논 Xe 0.000009 염화불화탄소 CFCs 0.00000002 0.0002

ppm이란 공기 분자 1백만 개 중에 포함된 해당 분자의 개수이다.

질소(nitrogen, N2)

  • 토양 박테리아의 생물학적 작용을 통해 대기에서 없어진다
  • 식물과 동물의 부패를 통해 다시 대기로 돌아온다.

산소(oxygen, O2)

  • 유기물이 부패할 때, 산화 반응이 일어날 때 대기에서 없어진다(질소와 반대)
  • 식물의 광합성을 통해 대기로 돌아온다.

수증기(water vapor, H2O)

  • 열대지방 시표에서는 수증기가 최고 4%에 이르고 극지방에서는 1% 미만으로 떨어진다.
  • 수증기는 기체에서 액체로 고체로 상전이를 하면서 엄청난 양의 잠열을 만든다. 이는 대기의 주요 에너지원이다.
  • 수증기는 지구가 발산하는 에너지 일부를 흡입하는 유력한 온실가스이다.

이산화탄소(carbon dioxide, CO2)

  • 식물의 부패, 화산폭발, 동물의 호흡, 화석연료의 연소를 통해 대기에 들어간다.
  • 식물의 광합성으로 대기에서 빠져나가고, 바다에 녹아서 빠져나가기도 한다.
  • 이산화탄소는 수증기와 함께 중요 온실가스이다. 이산화탄소 농도는 1958년 이후 25% 이상 상승하였으며, 이는 문제가 될 수도 있다.

메탄(methan, CH4)

  • 논, 산소가 부족한 토양에서 박테리아가 식물을 분해할 때, 흰개미의 활동, 소의 뱃속에서 일어나는 생화학 작용으로 배출된다.

아산화질소(N2O)

  • 박테리아와 특정 미생물에 의한 화학작용으로 땅 속에서 자연히 생성된다.
  • 태양 자외선에 의해 파괴된다.

염화불화탄소(CFC)

  • 20세기 말엽 증가세를 보이다가 최근에는 근절운동 때문에 뚝 떨어졌다.
  • 스프레이 제품 추진데
  • 온실가스이며 동시에 오존층 파괴 원인이다.

오존(ozone, O3)

  • 광화학 스모그의 주성분
  • 대기 중의 오존의 97%는 성층권에 오존층을 형성하고 태양의 자외선을 막는다.
  • 남극 상공의 오존홀 why? — 오존 분해 반응은 온도가 낮을 때 잘 일어난다.

오염물질(pollutant)

  • 이산화질소(NO2): 자동차 엔진에서 생성, 햇빛을 받으면 오존 생성 → 광화학 스모그
  • 일산화탄소(CO), 탄화수소(CnHn): 자동차 엔진, 연탄의 불완전연소
  • 이산화황(SO2): 석탄·석유 등 유황 함유 연료의 연소. 산성비, 천식과 폐기종

초기 대기

지구 최초의 대기(약 46억 년 전)

  • 수소(H2), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3)
  • 가벼운 수소와 헬륨은 우주공간으로 이탈

2차 대기

  • 화산을 통해 지구 내부로부터 분출된 고밀도 기체들
  • 수증기(H2O)가 80%, 이산화탄소(CO2)가 10%, 질소(N2) 등

3차 대기

  • 지구가 식으면서 수증기가 구름을 형성 → 수천 년 동안 비가 내려 바다를 형성
  • 이산화탄소가 바다에 대량 용해되고 석회암 등 탄소퇴적암에 흡수
  • → 수증기, 이산화탄소가 대량 감소하면서 화학작용이 활발하지 않은 질소 비율이 가장 많아짐
  • 강력한 태양광선이 수증기를 수소와 산소로 분해, 수소는 우주공간으로 탈출하고 산소는 잔류
  • 식물의 광합성으로 대기 중 산소량 급속 증가 → 수 억 년 전에 오늘날의 대기 수준에 도달

대기의 연직구조

대기의 여러 층의 분류 방법

  • 기온의 차이
  • 구성 기체의 차이
  • 전기 특성

기압과 밀도

공기 분자들은 중력으로 인해 지표 가까이에 압축된다. 공기밀도는 지표에서 가장 높고 올라갈수록 대수적으로 감소한다.

대기 전체의 무게는 5,600조 톤
→ 이 무게가 지구에 작용하는 힘: 대기압(air pressure)
기압은 위로 올라갈수록 낮아진다.

해수면 근처의 정상적 기압: 1 m²당 1013.25e+2 N/m²

  • 1013.25e+2 N/m² = 1013.25e+2 hPa = 1013.25e+2 mb = 760 mm.Hg = 29.92 in.Hg

대기의 층상구조

대류권

  • 지상으로부터 11 km 높이까지
  • 지구에서 경험하는 거의 모든 기상조건 포함.
  • 상승기류와 하강기류로 공기 순환 활발.
  • 대류권계면: 대류권과 성층권의 경계. 시속 50 미터 이상의 강풍인 제트류(jet stream) 존재

성층권

  • 11 km 위로 온도가 일정한 등온층이 성층권의 시작
  • 기온이 고도에 따라 높아지는 기온역전 → 대류권의 연직기류가 성층권으로 확산되지 못하게 막음
    • 기온역전이 일어나는 이유: 오존이 공기를 가열
(1)
\begin{align} \mathrm{O_2 + UV} & \longrightarrow \mathrm{O + O} \\ \mathrm{O + O_2 + M} & \longrightarrow \mathrm{O_3 + M} \end{align}
(2)
\begin{align} \mathrm{O_3 + UV} & \longrightarrow \mathrm{O_2 + O} \\ \mathrm{O_3 +O} & \longrightarrow \mathrm{2 O_2} \end{align}

중간권

  • 지구 대기에서 가장 차가운 곳: 중간권계면(중간권 - 열권 사이)
  • 산소 분자가 매우 희박. 호흡장비 없이는 저산소혈증으로 질식
  • 대류는 일어나지만 수증기가 없어서 대기현상 없음

열권

  • 온도 1500도 이상
    • 분자가 희박해서 태양 에너지를 적게 흡수해도 높은 기온 야기
    • 그러나 분자가 너무 희박해서 온도가 느껴지지 않음
  • 기온역전(이것도 입자 희박이 원인
  • 전리층이 대부분 포함

외기권

  • 지상 약 500 km 상공 이상
  • 원자와 분자들이 우주공간으로 분사

균질권과 비균질권

  • 균질권: 대기 성분이 균등(질소 78, 산소 21)하게 유지되는 곳. 대류권 ~ 중간권
  • 비균질권: 입자간 충돌이 드물게 일어나 대기가 잘 섞이지 않음. 열권, 외기권.

전리층

  • 지상 60 km 상공(중간권 상부) ~ 대기권 꼭대기까지. 전리층 대부분은 열권에 포함된다.
  • 상공 60 km D층, 120 km에 E층, 180 km에 F층.
  • D층은 전파를 반사하면서 대량 흡수하여 전파 신호를 약하게 한다.
    • D층은 해가 지면 약해지기에 라디오 방송국은 일출과 일몰을 전후로 송출량을 조절한다.

라디오존데

  • 기상기기와 전파 송신기가 들어 있는 상자를 기구에 매달아 놓은 것.
  • 기구가 상승하면서 기온, 기압, 습도 등을 전파로 송출한다.
  • 기구가 터지면 라디오존데는 낙하산을 달고 지상으로 귀환한다. 그러나 대부분 회수할 수 없어서 운용비용은 비싸다.

기상과 기후

  • 기상(weather): 특정 시간과 장소에서의 대기의 상태. 기온, 기압, 습도, 구름, 강수, 시정, 바람 등의 기상요소
  • 기후(climate): 특정 지역의 평균적 기상.

위성에서 본 기상

각종 규모의 폭풍우

일기도 개관

일상생활에서 기상과 기후