[항공] 기상변화의 요인과 기상관측, 예보

2012 포스팅 자료실 2012.03.24 01:12
**항공지식 - 기상변화 관측 / 국제표준대기표**


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기상변화의 요인

  항공기나 우주비행체가 하늘을 날 수 있는 것은 눈에 보이지 않는 대기, 즉 공기의 성질을 잘 이용하고 있기 때문입니다. 선박이 물의 성질을, 자동차가 땅의 성질을 잘 이용하여 운행되고 있는 것과 같이 항공기는 주로 10km 남짓한 낮은 대류권 범위 내에서 밀도가 높은 대기의 성질을 잘 이용하고, 우주비행체는 그 밖의 높은 범위의 공간에 존재하는 아주 희박한 대기의 성질을 잘 이용하여 비행하고 있는 것입니다.
  그러나 우주비행체도 이착륙을 할 때는 밀도가 높은 대기의 영향을 받아야 하고, 높은 궤도 비행을 할 때도 완전한 진공상태가 아닌기 때문에 희박한 대기의 밀도나 온도, 기타 기상변화의 영향을 무시할 수가 없습니다.
  기상변화의 요인은 태양열과 지열, 그리고 기타 열에 의한 공기의 대류현상이 주된 요인으로 되고 있지만, 실제로는 기온, 기압, 습도, 바람, 구름, 비, 눈 등 여러 가지 요소가 복합적으로 작용되어 아주 복잡한 변화양상을 나타내고 있는 것입니다.
  그래서 그 변화상태를 시시각각으로 파악하여 '기상예보'를 해 주고 있습니다. 제아무리 잘 만들어진 항공기나 우주비행체라 할지라도 기상상태를 무시하고 무모하게 비행할 수는 없기 때문입니다.


기상관측과 예보방식

  일반적으로 기상관측이란, 여러 가지 기상변화의 요소를 기상관측 레이더로 측정하는 것을 말하는 것인데, 지상에서 측정하는 '지상 기상관측'과 고공에서 측정하는 '고공 기상관측' 두 가지 방법이 있습니다. 또 측정하는 시기에 따라 정시적으로 하는 '정시관측'과 특별한 경우에만 실시하는 '특별관측'이 있습니다.
  항공기의 안전운항, 특히 이착륙 할 때의 안전을 기하기 위하여 실시하는 기상관측을 '항공기상관측'이라고 하는데, 매시간 또는 매 30분 마다 공항에 있는 기상관측소에서 관측을 하고 있습니다. 그러나 규모가 작은 지방공항에서는 공항의 운용시간과 항공기의 이착륙 빈도에 따라 관측시간 간격이 좀 다르고, 야간관측을 하지 않는 경우도 있습니다.
  특별관측은 태풍이나 짙은 안개 등 기상요소의 급격한 변화로 항공기의 운항, 특히 이착륙에 지장을 초래할 만한 급격한 기상변화가 예상될때 실시하는 방법인데, 특별관측을 해야 할 급격한 변화의 정도는 국제적으로 정해진 기준에다 국내 실정을 감안하여 그 기준이 정해지고 있습니다.


  고공기상관측은 고공의 기온, 기압, 풍향, 풍속 등을 관측하는 것인데 10km 상공까지는 항공기로, 그 이상의 고도에 대해서는 기상위성을 이용하고 있습니다. 고공관측의 결과는 대기의 입체적인 구도에 관한 내용, 즉 등온면, 등압면, 수직단면, 그리고 이를 종합한 전체적인 기상도작성 등 기상예보 자료를 만드는데 아주 유효하게 활용되고 있습니다.
  항공기에 의한 기상관측은 정기 운송 여객기나 기상 정찰기가 규칙적으로 정해진 항로를 비행하면서 기상상태를 관측하고 지상관제소에 보고하는 것인데, 관측위치, 시간, 풍량, 풍속, 시정, 운량, 운고, 기온 등을 정시적으로 통보하는 '정시 항공실황 기상통보방식' 과 특별히 태풍의 위치나 강도를 정확하게 관측하여 통보하는 '지정 특별 항공실황 기상통보방식'이 있습니다.
  한편, 항공기 이착륙에 직접적으로 관계되는 공항주변의 기상요소를 관측 예보하는 업무를 '비행장 예보(TAF)'라고 하는데, 활주로 상의 풍향, 풍속, 지상 시정, 구름 상태 등 관련 정보를 국제적으로 기상관측 기관끼리 1일 4회씩(00, 06, 12, 18시, 24시간 유효) 교환하고 있습니다. 그러나 국내에서는 1일 8회씩 교환하고 있는데 이 정보는 6시간 유효한 것으로 되어 있습니다. 


  기상위성 관측은 국제기상관측기구인 WMO(World Meterological Organization)에서 그 업무를 총괄하고 있는데, 기상위성에는 정지위성과 극궤도위성 두 가지가 있습니다. '정지위성'은 여러 개의 위성을 적도 상공 약 3만 6000km 상공에다 등간격으로 배치하여 위성 직하점을 중심으로 반지름 약 6000km(60˚N에서 60˚S) 범위의 기상상태를 항상 감시 관측하고 있습니다. 즉 구름의 분포상태와 각 지점의 온도 등을 정확하게 관측하고, 태풍이나 저기압전선 등의 세기와 활동상황을 감시하며 모든 정보를 지상국에다 전송해 주고 있습니다.
  '극궤도위성'은 남북 또는 북남 방향으로 적도를 통과하는 시간이 일정한 여러 궤도를 돌면서 관측하는 태양동기 위성인데, 보통 2개가 한 조가 되어 1일 4회씩 관측된 정보를 보내주고 있습니다. 그 중에서 1000km 이하의 저고도 궤도의 이점을 이용하여 정지위성이 감시하지 못하는 고위도 지방의 기상상태를 감시 관측하는 극궤도위성도 있답니다.


국제표준대기표

  항공기는 언제나 대기의 밀도가 높은 대류권 (약 11km 이하) 내에서만 운항하고 있는 비행체입니다. 이 대류권 내에서는 고도가 높아질수록 자연적으로 기온이 점점 내려가고 있기 때문에(1m 높아질수록 0.0065˚C 만큼씩 떨어져 11km 이상이 되면 거의 일정하게 -56.5˚C가 됨) 언제나 열에너지의 대류현상이 발생하게 마련입니다. 그래서 대기는 일정불변한 상태를 유지하지 못하고 항상 변동하게 마련이고, 이로 이하여 아주 복잡한 기상변화가 일어나고 있는 것입니다.
  항공기는 이와 같이 항상 변화하고 있는 대기의 상태, 즉 기온, 기압, 밀도 등의 변화영향을 받아가면서 비행하고 있는 것입니다. 그래서 고도 2000m 에서 시속 500km로 날 수 있는 항공기가 같은 파워로 고도 1000m에서는 같은 속도로 날 수 없고, 또 다른 지역에 가서는 같은 고도에서 같은 속도로 날 수 없는 것입니다.
 이와 같은 비행성능의 변화 이외에도 항공기의 비행 안전성과 운동성 같은 것도 변화무궁한 대기상태의 영향을 언제나 받게 마련입니다. 그래서 항공기의 성능을 제대로 표시하려면, 그때그때의 대기상태를 일일이 표시해 주어야 하는데 대단히 복잡하고 또 서로의 성능을 비교하는데에도 불편하기 때문에, 마치 길이를 재기위한 '자'가 있듯이 대기에 대해서도 고도 2만 m 까지의 그 표준상태를 가상적으로 나타내는 방법을 정해 놓고 있는데 '국제표준대기표'라고 합니다.

  1952년, 따뜻한 온대지방에서 관측된 기상자료의 평균치를 종합하여 국제 민간항공기구인 ICAO에서 이를 만들어 현재까지 온 세계에서 공통적으로 활용되고 있습니다. 우리나라 항공법에서도 1961년부터 이 표준대기표를 사용하도록 규정하고 있고, 한국산업규격에서도 1976년에 항공부문(KS-W)의 'W0211 - 79 표준대기'로 KS 규격화되고 있습니다.


Standard Atmosphere Table


  이 국제표준대기표는 항공기 기타 관련 장비품의 성능을 비교 평가하고 안전성을 확보하기 위한 기술상의 기본기준으로서, 모든 기술자료에서 그 성능을 나타내고 있는 숫자는 모두 이 표준대기상태를 기준으로 한 것입니다. 
  앞에서도 설명했듯이 모든 과학기술은 '정성적인 발상'과 '정량적인 실증'이 겸비되어야 하는 것입니다. 정성적인 발상을 흔히 정량적인 실증을 하기 위한 '가정'이라고 하는데 국제표준대기표를 만드는데 있어서도 다음과 같은 여러 가지 가정사항을 전제로 하여 만들어진 것입니다. 

**국제표준대기표의 가정사항**
(1) 대기는 수증기가 포함되어 있지 않은 건조한 공기, 즉 완전가스와 같은 것이라고 가정하고 이것을 '표준대기'라고 한다. 
(2) 대기의 온도는 따뜻한 온대지방의 해면상의 15˚C를 기준으로 하고, 이것을 '표준온도'라고 한다.
(3) 해면상의 대기압력은 수은주의 높이 760mm를 기준으로 하고, 이것을 '1 표준기압'이라고 하며 1atm으로 표시한다
1atm = 760mmHg = 10.3332 mAg = 1.0332 kg/cm" ( 표준기압 = 수은주의 높이 = 수주의 높이 = 공업기압 또는 기압)
(4) 해면상의 대기밀도는 1.2250kg/m"' 을 기준으로 한다. 밀도 p는 단위체적당 질량, 따라서 그 무게(비중량) r 은 지구의 중력 가속도 g를 곱한 r = pg kg/cm"', 또 그 부피(비체적) v는 v = 1/r 이된다. 그러나 대기의 부피는 온도 및 압력에 의하여 팽창.수축됨으로 서로 비교할 때는 표준상태(760mmHg, 15˚C)일 때의 비체적 Vo Nm"'/kg 으로 표시하다. (Nm"' : 표준상태일 때의 대기의 부피)
(5) 고도에 따른 온도강하 구배는 -56.5˚C (-69.7˚F)가 될 때까지는 -0.0065˚/m 이고 그 이상 고도에서는 변함없이 일정 (-56.5˚C)하다고 가정한다. 







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[항공] 지구를 둘러싸고 있는 대기의 상태

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



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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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