[항공] 지구를 둘러싸고 있는 대기의 상태

2012 포스팅 자료실 2012.03.22 23:43
**항공지식 - 대기의 상태**



꿈을 이루는 버튼

대류권에서 열권까지

  약 400톤 가까이 되는 무거운 747 점보여객기가 안전하게 전 세계의 하늘을 날아다닐 수 있는 것은, 지구를 둘러싸고 있는 공기의 성질을 잘 이용하고 있기 때문입니다. 지구를 둘러싸고 있는 이 공기를 대기라고 하는데 다음 그림은 지구 표면에서 1천 km 상공까지의 대기의 밀도와 온도의 변화상태 등을 나타낸 것입니다.
  지구표면에서 고도 약 10km 까지를 '하층대기' 또는 '대류권'이라고 하는데, 아주 복잡한 기상변화가 일어나고 있는 영역입니다. 고도 약 10~50km 까지는 온도가 거의 일정하게 안정되어 있는 '성층권'이고, 다음 85km 까지는 초고층대기로 바뀌는 '중간권'으로, 성층권과 중간권을 합해 '중층 대기권'이라고 합니다. 이 중층 대기권 밑 부분에는 우리에게 잘 알려지고 있는 '오존층'이 자리 잡고 있습니다.
  100km에서 1,000km 범위에서는 태양의 자외선에 의하여 고온상태가 되어 전리층이 형성되고 있는데, 이와 같은 초고층 대기부분을 '열권' 또는 '전리권' 이라고 합니다. 이 전리권에서는 대기의 성분에 따라 전리시키는 빛의 파장이 다르기 때문에 D,E,F 층으로 구분하고 있는 데, 각 층별로 전파를 반사시키는 것이 다릅니다. 그래서 이와 같은 성질을 이용하여 파장이 서로 다른 원거리 전파통신을 할 수 있게 된 것입니다.

대기의 밀도와 온도, 그리고 압력

  일반적으로 대기의 상태는 밀도, 온도 및 압력 등으로 나타내고 있습니다. 여기서 밀도란, 단위체적당 공기의 입자가 얼마나 밀집되어 있는가를 나타내는 단위인데, 고도 120km 까지는 16km 마다 1/10정도씩 거의 직선적으로 일정하게 감소되어, 120km 상공에 가면 10(-8제곱km/cm3승) 즉 지구표면 밀도의 1억분의 1 정도로 아주 희박한 진공에 가까운 상태가 됩니다. 그래서 우주공간은 진공상태라고 흔히들 말하고 있는 것입니다.
  이와 같은 대기밀도의 분포상태는 항공기나 우주비행체의 비행과 아주 밀접한 관계가 있는 것입니다. 밀도가 높아질수록 공기의 저항력과 마찰에 의한 열의 발생률이 점점 높아지기 때문입니다.
  특히 밀도가 100분의 1 정도밖에 감소되지 않은 고도 30km 까지가 우주비행에서 어려운 고비가 되는데, 마찰열까지를 생각한다면 고도 100km를 넘어설 때까지는 안심할 수가 없는 것입니다. 왜냐하면 공기의 저항력은 속도 자승에 비례하지만, 열의 발생률은 단위시간당 저항력에 해당되는 일의 량에 비례해서 증가되기 때문입니다. 
  고도가 120km를 넘어서면 밀도의 감소비율이 급격히 줄어들고 그반면 밀도의 변화폭이 점점 커지고 있습니다. 고도 약 100km에서 1,000km까지의 범위를 열권이라고 하는데, 이는 태양에너지에 의하여 대기가 점점 가열되는 영역이기 때문에 열관이라고 하는 것입니다.
  그래서 이 열권내의 대기상태는 태양의 활동상태와 계절 그리고 밤낮의 변화, 지자기의 활동상태 변화 등에 의하여 크게 변화되고 있는데, 그 중에서 가장 크게 영향을 받는 것이 태양의 활동상태입니다. 즉 태양의 활동이 심해지면 대기가 팽창되어 자연히 아래 부분의 밀도가 올라가게 됩니다.
  보통 저궤도 인공위성은 200 ~ 300km 상공궤도를 돌고 있는데, 이와 같은 대기밀도 변화에 의한 저항력 때문에 시간이 경과할수록 점점 고도가 떨어져, 결국 밀도가 높은 대기권으로 빠져들어 마찰열이 점점 많이 생겨 얼마 안가서 소멸되고 마는 것입니다.
  인공위성의 수명은 이와 같이 대기의 밀도변화에 의하여 결정되는 것이기 때문에 11년 주기로 변화하고 있는 태양의 활동상태에 따라 그 수명을 예측할 수가 있습니다. 실제로 태양의 활동이 전성기일 때에는 위성궤도의 원지점 고도가 많이 저하하는 현상을 나타내고 있습니다. 

  


  '기체 분자 운동론'에 의하면 모든 기체 분자는 서로 충돌을 거듭하면서 활발히 움직이고 있는데, 그 운동 에너지량은 거시적으로 '온도'로 측정할 수 있고 또 용기 벽에 부딪히는 운동량의 변화에 의한 '압력'으로 측정될 수 있습니다. 즉 밀도가 높아져 분자간의 거리가 좁아질수록 기체분자의 충돌이 활발해져서 온도와 압력이 올라가게 되는 것입니다.
  그러나 만일 1기압(지구표면)하에서 분자간의 거리가 0.1 마이크로미터라면 고도 120km 상공에서는 그 거리가 10m로 넓어져서 서로 충돌을 하지 않고 아주 고요한 상태, 즉 균질하고 희박한 기체상태가 된다고 합니다.
  앞에서 설명했듯이 우주공간에서는 수소(H)가 72%, 헬륨(He)이 25%, 기타 원소가 3% 등으로 구성되어 있는데, 희박한 상층대기일수록 수소 성분이 많아지고 있다고 합니다. 실제 탐사결과에서도 120km 상공의 대기가 수소성분을 보다 많이 포함하고 있다는 것이 확인되고 있습니다.

태양풍과 지자기권

  고도가 1,000km 이상 되는 공간을 '외권'이라고 하는데, 이 영역에서는 기체분자가 태양열에 의하여 전리되어 이온과 양자로 전자화된 '프라즈마' 상태로 존재합니다. 이와 같은 전리된 입자들은 또 강한 태양열에 의하여 활발한 운동을 하면서, 지구를 위시한 기타 혹성에 영향을 미치게 되는데 이와 같은 현상을 '태양풍'이라고 합니다. 
  지금까지의 관측결과에 의하면 지구가 공전하고 있는 궤도 부근의 대기 밀도는 보통 입자수로 따져 10개/cm"' 정도이고, 태양풍의 속도는 약 500km/sec, 그리고 입자의 온도는 약 10만도 정도가 된다고 합니다.
  지구가 받는 태양에너지란 바로 이와 같은 태양풍이 가지는 에너지량을 마하는 것인데, 태양활동이 약할 때도 매초 2*10(의 27제곱)에그르(erg) 정도가 된다고 합니다(1 erg = 1 dyn . cm).
  그러나 지구 부근에서는 지구의 자장이 강한 태양풍을 막아주는 '지자기권'을 형성하고 있기 때문에 직접적인 영향은 일단 차단되어 있는 상태입니다.  원래 태양풍은 전리된 입자들이어서 자장에 빨려드는 성질을 가지고 있기 때문입니다. 그러나 변화무쌍한 태양풍의 강도가 심해질 때는 가끔씩 태풍현상과 같은 돌연변이 현상을 일으키기도 합니다. 이러한 돌연변이 현상을 '자기태풍'또는 '지구태풍'이라고 하는데, 기상변화의 근본적인 요인이 되고 있습니다. 


  요즘 환경보호 차원에서 '오존층' 파괴 문제가 심각한 문제로 대두되고 있는 것도 강한 태양풍의 내습을 두려워하고 있기 때문입니다. 태양에너지가 있음으로써 모든 생물이 생존하는 것이지만, 그 에너지를 너무 강하게 받게 되면 살아남을 수가 없는 것입니다. 이것이 대자연의 진리이기 때문에 우리 인간은 자연을 잘 보호해 가면서 살아나가야 되겠습니다.


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