대기 - 대류권계면 대기중의 대기오혐

대기 (大氣 atmosphere)
지구나 목성 등 태양계의 행성을 둘러싸고 있는 기체. 설명
지구나 목성 등 태양계의 행성을 둘러싸고 있는 기체. 행성대기라고도 한다. 그 중에서 지구의 중력에 의해 지구와 함께 회전하고 있는 기체를 지구대기라 하며 일반적으로는 대기라 하면 지구대기를 가리킨다. 또 지구표면에 가까운 부분의 기체를 일반적으로 공기라 한다. 지구를 둘러싸는 대기는 높이 500㎞ 근처까지 확장되며, 질소·산소·오존·이산화탄소·수증기 등이 함유되어 있다. 대기는 태양에서 오는, 생물에 유해한 자외선이나 고에너지입자를 차단하는 한편, 우주로의 방출을 막는다.

다른 행성의 대기
태양계의 행성 중 수성과 명왕성을 제외하고 7개의 행성에서 대기의 존재가 확인되고 있다. 태양계에는 지구와 같이 질량이 작은 지구형 행성과 목성과 같은 거대한 목성형 행성이 있으며, 각각 다른 대기 조성을 갖고 있다. ① 금성은 지구와 크기는 비슷하지만, 산소는 거의 없고, 이산화탄소가 96.4％, 질소가 3.4％, 아르곤이 나머지 대부분을 차지하며, 기압은 약 90기압, 기온은 약 450℃이다. 지구의 이산화탄소가 0.03％에 불과한 것에 비하면 아주 많다. 이것은 금성에 이산화탄소를 흡수하는 바다가 없기 때문이다. 이것을 제외하면 금성대기는 지구대기와 아주 비슷하다. 또, 금성에는 산소가 없어서 지구와 같은 오존층이 없고, 따라서 성층권도 없다. 상공일수록 기온은 낮아서 100㎞ 상공에서는 －60℃ 정도이다. ② 화성 대기는 이산화탄소 95.3％, 질소 2.7％, 아르곤 1.6％, 산소 0.3％ 등으로 구성되며, 기온은 약 －100℃, 기압은 약 0.006기압이다. 수분이나 이산화탄소의 대부분은 표면의 흙에 흡수되고 있다. 화성에는 흰 극관(極冠)이 있는데, 그 중심부는 물이 언 얼음이며, 계절에 따라 변동하는 주변부는 이산화탄소가 결빙해서 드라이아이스로 된 것이라 짐작된다. 기온의 고도분포는 금성과 유사하며 고도 110㎞에서 극소에 달한다. 화성의 오존량은 지구 오존량의 1％ 이하에 불과하지만, 계절적 변화가 커서 겨울은 여름의 100배에 달한다. ③ 목성형 행성인 목성과 토성의 대기주성분은 약 85％의 수소 분자와 약 15％의 헬륨이며, 메탄·암모니아가 미량 있다. 표면온도는 －120℃ 이상, 상공으로 올라감에 따라 기온이 내려가 －160℃ 정도에 달하며, 상공에서는 온도가 상승하여 열권에서는 730℃를 넘는다.

지구대기
탄생 직후의 지구에는 대기가 거의 존재하지 않았다는 학설과 존재하고 있었다는 학설이 있다. 탄생시 대기가 존재하고 있었다는 학설에서는, 원시태양계 성운가스의 주성분인 수소와 헬륨으로 싸여 있었지만, 이 1차대기가 일단 소실되자 거의 진공 상태가 되어, 그 후 지구 내부에서 이산화탄소·수증기·질소를 주성분으로 하는 기체가 분출됨으로써 산화형의 2차대기가 형성되었다고 한다. 또 대기가 존재하지 않았다는 학설에서는, 지구대기의 형성은 지구 내부에서 기체가 분출됨으로써 시작된 것이라 한다. 수증기는 응결되어 바다를 형성하고, 바다는 대기 중의 이산화탄소를 흡수해서 질소를 주성분으로 하는 대기가 형성되었다는 것이다. 현재의 지구대기에 산소가 많은 이유는, 육상 식물과 해양 식물성 플랑크톤이 광합성으로 산소를 방출하기 때문이며, 따라서 지질시대의 생물계의 성쇠가 산소 생성에 크게 영향을 미쳤다고 생각된다. 광합성이 시작된 것은 선캄브리아대라 하며, 식물의 생육에 유해한 강한 자외선은 해수로 흡수되므로 수심 10m 이상 해면 밑에서는 원시적인 조류가 서식해 광합성을 하며 공기 중으로 산소를 방출했다. 이 산소에 태양복사자외선이 작용해 오존층이 형성되어 강한 자외선을 흡수한 결과, 고생대 중반에 동식물이 육지에 상륙했다. 이 때문에 광합성이 더욱 활발하게 되었으며, 대기 중에 다량의 산소가 방출되어 결국 현재의 대기가 형성되었다.

대기의 조성
대기는 혼합기체이며, 〔표〕와 같이 여러 가지 기체가 함유되어 있다. 가장 많은 것이 질소로 전체의 약 78％이며, 산소는 약 21％로, 이들 2개의 기체가 대기의 약 99％를 차지한다. 나머지 1％에는 아르곤·이산화탄소·수증기·오존·네온·헬륨·크립톤·크세논·암모니아·과산화수소·요오드 등이 함유되어 있다. 이것들 중 대기의 구조에 중요한 역할을 하는 것은 용적비가 작은 이산화탄소·수증기·오존 등의 기체이다. 공기에서 수증기를 뺀 나머지의 기체를 건조공기라 한다. 건조공기에는 지면에서의 높이와 관계없이 조성비가 거의 일정한 것과, 장소와 시간에 따라 달라지는 것이 있다. 조성비가 변화하지 않는 것은 질소·산소 등이며, 이것들의 성분비는 중간권계면의 고도 약 85㎞ 부근까지 불변인 것이 로켓 관측 등에 의해 확인되고 있다. 중간권계면을 넘으면 광해리 때문에 O가 다량의 O로 변환되며, 110㎞ 부근의 상공에서는 분자확산작용 때문에 무거운 분자와 가벼운 분자의 분리가 일어남으로써 평균분자량은 상공으로 갈수록 감소해서 지표 부근과는 다른 조성비로 된다. 고도 1000㎞ 이상에서는 헬륨과 산소가 주성분이며, 2000㎞ 이상에서는 헬륨과 수소가 주성분이다. 초고층대기 중에서는 태양복사자외선과 X선에 의한 광전리작용에 의해 하전입자가 생성되어 전리층을 형성하고 있다. 하층대기 중에는 〔표〕에 표시된 성분 외에 수증기가 응결 또는 승화해서 생긴 물방울이나 빙정(氷晶), 해수의 비말에서 방출된 염화마그네슘 등의 염류·화산재·황사·유성진·화분·미생물 등이 미량 함유되어 있다.

인공생성물의 증가
이산화탄소를 정밀하게 측정해 보면, 〔그림 1〕에 나타나듯이 해마다 약 0.4％의 비율로 증가하고 있다. 이것은 인간활동에 의해 화석연료가 소비되는데, 이때 대기중으로 방출되는 이산화탄소량의 약 46％가 대기 중에 축적되기 때문인 것으로 짐작된다. 20세기 초에는 0.029％ 정도였던 이산화탄소가 1980년에는 약 0.034％, 21세기 중반 이후가 되면 0.06％로 증가될 것으로 예상된다. 이 때문에 온실효과 등에 의한 기후변화가 문제되고 있다. 성층권에서 생성되는 오존량과 분해된 양은 균형을 유지하고 있으며, 그 결과 오존층이 보존되고 있다. 그러나 초음속기(SST)의 엔진에서 다량으로 배출되는 NO 또는 질소비료에서 생기는 NO가 성층권으로 올라가서 형성되는 NO 특히 냉동차의 냉매나 분무기의 발사제로 이용되는 클로로플루오르메탄류(CFCl, CFCl 등 상표명은 프레온)의 작용으로 오존층이 파괴되고 있다. 이 밖에 황산화물·일산화탄소 등 인공생성물이 증가하고 있어서 대기오염이 문제되고 있다〔그림 2〕.

대기의 연직구조
대기권은 높이 500㎞ 근처까지 확장되어 있는데, 높이에 따라 성질이 달라서 몇 개의 층으로 구분할 수 있다. 일반적으로는 온도 구조와 대기의 조성비에 의한 구분이 이용된다〔그림 3〕. 온도 구조에 의한 구분은 기온의 체감률(遞減率)에 의해 구분하는 것으로, 아래에서부터 대류권·성층권·중간권·열권으로 나뉜다. 대기의 조성비에 의한 구분에서는 대기의 조성비가 고도 약 80㎞까지 변화하지 않고 대기를 구성하는 분자가 잘 혼합되어 있으므로 균질권(homosphere)이라 하며, 고도 80~500㎞ 부근까지는 조성비가 높이에 따라 변화해서 비균질권(heterosphere)이라 한다. 균질권 중 상부 성층권과 중간권에서는 태양복사 자외선과 오존·산소의 광화학반응 등이 일어나므로 화학권(chemosphere)이라 불리기도 한다.

대류권(troposphere)
온도가 고도 1㎞마다 5∼6℃ 내려가는 층이며, 높이는 지상에서 십여㎞에 달한다. 태양에서의 열은 대기층에 흡수되지 않고 지구에 도달해 지표면을 덥힌다. 이 열은 복사·맴돌이확산 등에 의해 하층대기를 덥게 하기 때문에, 대기층이 불안정하게 되어 대류가 생긴다. 상승기류에 따라 대기 중의 수증기는 응결해서, 구름이나 강수 등 여러 가지 일기현상으로 나타난다. 태양에서 지구로 들어오는 열량은 적도지방에서 많고 극지방에서 적지만, 저위도 지방에서의 열이 고위도 지방으로 옮겨져 전체적으로 균형이 잡힐 수 있도록 대규모의 대기운동이 발생한다.

성층권(stratosphere)
고도 십여㎞ 이상에서는 온도의 변화가 거의 없거나 또는 상승하는 것으로, 대류권과 구별하여 성층권이라고 부르며, 성층권과 대류권의 경계면을 대류권계면(tropopause)이라 한다. 성층권 아랫부분에서는 온도가 거의 일정하지만, 고도 20㎞ 이상에서는 점점 상승하여 약 50㎞에서 극대에 달하게 되는데, 여기가 성층권의 상한으로 성층권계면(stratopause)이라 한다. 이 기온의 상승은 성층권에 있는 오존층이 태양으로부터의 자외선을 흡수하기 때문에 일어난다. 안정된 성층에서는 수증기가 적어서 일기 현상이 나타나지 않지만, 겨울에 고위도지방의 상공 20∼30㎞에서 진주 모운(母雲)이 보이는 경우도 있다.

중간권(mesosphere)
성층권계면의 상공에서는, 온도는 고도가 증가함에 따라 다시 내려간다. 가장 낮게 될 때는 고도 약 80㎞의 약 180K로, 이것이 중간권계면(mesopause)이다. 중간권은 성층권계면에서 중간권계면까지의 층으로, 성층권에 비해 위·아래의 혼합이 격심하지만 대류권만큼 격심하지는 않다. 중간권에서는 태양복사 자외선과 산소·질소와의 광화학반응이 활발하며 유성이나 야광운이 나타난다.

열권(thermosphere)
중간권계면을 넘어서 위로 향할 때 온도가 빠르게 상승하는 범위이며, 그 상한은 고도 300∼600㎞ 사이에 있다. 이 영역에서는 공기의 주성분인 산소와 질소가 태양복사 자외선과 X선을 흡수해 해리·전리가 일어나 강한 가열을 받는다.

중층대기(middle atmosphere)
성층권과 중간권을 하나로 묶고, 열권의 밑부분까지를 포함하는 영역의 대기를 말한다.

관측의 역사
G. 길릴레이는 1592년에 공기의 팽창과 수축을 이용한 최초의 온도계를 만들었고, 1742년 스웨덴의 천문학자 A. 셀시우스가 섭씨도(셀시우스度)를 고안했다. 1643년 E. 토리첼리는 수은기둥이 높이 약 76㎝인 곳에서 멈추는 것은 공기의 무게와 수은기둥의 무게가 균형을 이루기 때문이라는 사실을 발견했다. 연에 온도계를 붙여서 고층의 기온을 처음으로 측정한 것은 1748년 영국의 A. 윌슨이며, 연으로 번개를 관측했던 것은 1752년 미국의 B. 프랭클린이었다. 1784년 J. 제프리스는 기구에 올라타 기상 관측을 했고, 1862년 J. 글레이셔는 약 11㎞의 고도까지 올라가 관측했다. L.P. 테스랑드보르는 무인기구에 자기기상계(自記氣象計)를 부착해 1902년 성층권을 발견했다. 1931년 A. 피가르는 기구를 타고 성층권에 도달해, 고도 1만 5781m까지의 기상을 관측했다. 1928년경부터 무인기구에 기온·기압·습도의 측정기를 실어서 무선으로 지상에 송신하는 라디오존데가 고안되었다. 1930년 P. 몰차노프가 라디오존데로 성층권을 관측했다. 고층의 관측은 1946년 시작된 로켓관측으로 고도 100㎞ 이상까지 달했다. 1957년 인공위성으로 우주공간을 직접 관측할 수 있게 되었고, 1960년에는 기상위성을 이용하여 우주에서 구름·기온·해면수온을 전지구적으로 관측할 수 있게 되었다. 또, 1950년경부터 기상레이더로 비구름과 뇌운이 관측되어 1975년경부터는 라이더(레이저 레이더의 약칭, lidar)에 의해 화산분화에 따르는 성층권 에어로졸을 관측할 수 있게 되었다.

대기와 기상
지구대기에서는 저위도지방에서 열의 과잉, 고위도지방에서 열의 부족이 생기며, 이것의 균형을 잡기 위해서 대규모 순환(대기 대순환)이 일어난다. 순환에는 남북순환과 동서순환이 있다. 남북순환에는 3개의 순환이 있는데, 저위도지방에서 상승하고 아열대지방으로 하강하는 직접순환, 중위도지방에서 상승하고 아열대지방으로 하강하는 간접순환, 중위도지방에서 상승하고 고위도지방으로 하강하는 직접순환이 있다. 이 3개의 연직순환 사이에는 상공의 대류권계면의 경계선이 있으며, 이것에 강한 서풍인 제트류가 불고 있다. 제트류에는 2종류가 있으며, 하나는 북위 30˚ 부근에서 부는 아열대제트류, 또 하나는 북위 60˚ 부근에서 부는 한대전선제트류이다. 겨울철 한기가 불기 시작할 때 양쪽의 제트류는 전체 편서류와 더불어 남북방향으로 굽이쳐 흐르며, 100㎧ 이상의 바람이 분다. 수증기는 상(相)이 변화할 때 지표면에서 얻어진 열을 대기에 방출한다. 이 에너지가 대기순환이나 태풍 등의 중요한 에너지원이 된다. 성층권의 순환은, 오존이 태양복사 자외선을 흡수하는 양이 위도에 따라 다르기 때문에, 하반구(夏半球)에서 동반구(冬半球)를 연결하는 남북순환이 형성된다. 이것에 지구자전에 의한 코리올리의 힘의 작용이 더해져 하반구는 동풍, 동반구는 서풍이 불며, 풍속은 50∼80㎧이다.

대기 - 대류권계면 대기중의 대기오혐