대기권
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1. 개요
大氣圈 / Atmosphere
행성을 둘러싸는 기체층이 존재하는 권역.
별의 중력에 의해 붙잡힌 가스층으로 이루어져 있으며, 대기권의 두께나 구성 등은 중력 혹은 그 천체의 물리적 특성같은 다양한 요인에 영향을 받는다.[2]
2. 지구의 대기권
지구의 대기권은 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 15도 정도가 아니라 흑체복사를 통한 계산결과 영하 18도 정도였을 것이다.[3] 그나마도 평균이 그렇다는 것이지, 실제로는 낮에는 백 도를 넘어가고 밤에는 영하 백수십 도로 떨어졌을 것이다.
지구에서는 지표면의 생명체를 보호하는 일종의 보호막 역할을 한다. 지구는 탄소 기반 생명체에게 필수적인 산소가 대기층의 구성성분 중 21%를 차지하는 데다[4] 유성과 같은 우주의 위험 요소들이 이 대기권 진입 과정에서 한 줌의 재로 화해버리는 덕분에 무사히 생명체를 잉태하고 길러내는 행성이 될 수 있었다.
3. 다른 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 있으나, 기압이 지구의 10조분의 3밖에 되지 않는다. 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 이산화탄소로 이루어진 두꺼운 대기를 가지고 있고, 토성의 한 위성인 타이탄은 메탄이 순환하는 대기를 갖는다.
사실 처음부터 대기권에 산소가 있었던 것은 아니고, 원시 지구에는 이산화탄소, 질소, 수증기 등이 가득했었던 것으로 추정된다. 지구 진화 과정에서 바다의 형성과 함께 다량의 이산화탄소가 녹아들어가 수증기와 이산화탄소의 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.[5]
4. 지구 대기권의 구성 물질
아래는 지구 대기권을 구성하는 물질의 부피 비율이다.
5. 층상 구조
대기권은 온도 및 구성성분의 차이에 따라서 몇 개의 층으로 나누어진다.
5.1. 대류권
對流圈 / Troposphere
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 '''날씨'''라고 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 2도 이하로 떨어지는 최저 고도가 대류권 계면이 된다. 대류권 계면에서는 기온이 영하 50~60도에 이른다. 대류권 계면의 높이는 지역마다, 계절마다 천차만별인데, 일반적으로는 10~11㎞ 정도를 잡고 있지만 극지방의 경우 5~8㎞까지 낮아지기도 하고 열대지방의 경우 15~18㎞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.
5.2. 성층권
成層圈 / Stratosphere
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. (35000 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 0~10도 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.
5.2.1. 관련 문서
5.3. 중간권
中間圈 / Mesosphere
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[8] 중간권에서는 날씨현상이 일어나지 않는다. 기상현상 역시 많지 않아서, 가장 높은 구름으로 불리는 야광운(Noctilucent Cloud)이 대략 70~80km 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 6천 도(!)에 이르는 고온으로 가열, 플라즈마화하기 때문이다. 사실상 지구의 방패라고도 할 수 있는 권역이다.
중간권 계면은 해발고도 80km 정도에 해당하고, 그 온도는 영하 90~100도(!)에 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 상황. 심한 경우 중간권 계면에서는 영하 130도(…)까지 내려가기도 한다고 한다.
5.4. 열권
熱圈 / Thermosphere
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 100~250km, 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, 심할 경우 그 온도가 2,000도(!)까지 치솟기도 한다.[9] 열권 계면의 정확한 위치 역시 대류권 계면과 마찬가지로 크게 변동하기에 확신할 수는 없지만, 대략 500~1,000km 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~1000도에 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.[10]
5.5. 외(기)권
外(氣)圈 / Exosphere
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[11] , 보이저 탐사선과 같은 여러 탐사선들 역시 외기권을 통과한 바 있다. 음모론에 따르면 인간이 이 공간에 존재하는 밴 앨런 대의 위험성을 막아낼 방법이 아직 없다고 하는데, 이에 관해서는 아폴로 계획 음모론을 함께 참고.
[1] 저 얇디얇은 '푸르스름한 기운' 이 바로 우리가 지상에서 바라보는 파란 하늘의 정체다.[2] 단순히 중력이 센 천체라고 대기가 두꺼운 것이 아니다. 예컨데 토성의 위성인 타이탄만 봐도 행성인 지구보다 두꺼운 대기권을 가지고 있다.[3] 온실 효과 자체는 지구 환경을 유지하기 위해 필수적이다. 다만 지나친 온실 효과가 문제가 되는 것이다.[4] 산소 농도가 너무 높을 시 산화 반응이 너무 활발히 일어날 것이다.[5] 참고로 지구의 1기압은 '''1㎡당 약 10톤의 추가 누르고 있는 것과 거의 같은 힘(약 100kPa)'''이다. 좀 더 실감나게 하기 위해 스케일을 줄여 보자면, 1제곱센티미터(검지 손톱 정도의 넓이)당 1kg이라고 알고 있으면 된다.[6] 최근 통계: 0.04% 이상, '''비율 상승 중.'''[7] 0.06%만 넘어가도 지구는 본격적인 사막화가 진행될 것이다. 멀리갈 것 없이 다큐멘터리 코스모스에서 이를 나비에 빗대어 설명하는 장면이 있다. 이 다큐멘터리가 나온 것은 2014년이고 불과 다음해인 2015년에 지구의 이산화탄소 농도는 400ppm 즉 0.04%를 최초로 돌파했다![8] 운석에서 나오는 극미량의 수증기나 간혹 하부 대기에서의 강력한 상승 기류를 타고 올라온 게 전부.[9] 사실 열권 부분부터는 하도 입자들이 희박하다 보니 온도 개념이 크게 의미는 없을 지경이다.[10] 100도의 건식 사우나에서 화상을 입지 않는 것과 원리가 같다.[11] 아폴로 8호에서 17호까지(7호와 9호는 제외) 각 발사별 3명씩 9번이다. 아폴로 13호는 비록 달착륙은 못 했지만 당연히 외기권 비행이었던 것은 물론, 지구 귀환 시 자유 귀환궤도로 달을 돌았기 때문에 심지어 다른 아폴로 탐사선보다 100Km 정도 더 높게 달 상공을 날고 왔다(역설적으로, 아폴로 13호의 실패가 현재까지 인간이 가장 멀리 우주로 나간 신기록을 만든 셈).추가로 착각하기 쉬운게 아폴로11호가 최초로 밸 앨런 대를 통과한것이 아니다. 아폴로 8호가 인류 최초로 달궤도를 다녀온 미션이다. 그리고 짐 러블(8호,13호), 존 영(10호,16호)은 달궤도를 두번씩 다녀온 사람들이다.