대기의 구성(조성) 및 특성

• 홍앤강 ENVIRONMENT 강 작성

 

1. 개요

1) 대기의 수직온도 분포에 따라 대류권/성층권/중간권/열권으로 구분

2) 대기의 온도는 고도가 높을수록 대류권에서는 하강, 성층권에서는 상승, 중간권에서는 하강, 열권에서는 다시 상승

3) 대기의 밀도는 기온이 낮을수록 높아지므로 고도에 다른 기온 분포로부터 밀도분포가 결정됨

4) 기상요소의 수평분포는 위도, 해륙분포 등에 의하여 지역에 따라 다르게 나타나지만 연직방향에 따른 변화가 더욱 큼

 

→ 대기권에서 기본개념은 Geopotential Altitude와 Geometric Altitude(Z)가 있으며, Geopotential Altitude는 고도에 따른 중력의 변화로 값이 변화한다.

2. 대류권(Troposphere)

1) 대류권은 지표에서부터 평균 11~12km까지의 높이이며 극지방으로 갈수록 낮아진다. (적도 : 16~17km, 중위도 10~12km, 극 : 6~8km)

2) 구름이 끼고 비가 오는 등의 기상현상은 대류권에 국한되어 나타남

3) 대류권의 하부 1~2km까지를 대기경계층이라 하고, 이 대기경계층의 상층은 지표면의 영향을 직접 받지 않으므로 자유대기라고도 부른다. 즉, 대류권의 자유대기는 행성경계층의 상층으로 지표면의 영향을 직접 받지 않는 층이다.

4) 행성경계층에서는 지표면의 마찰의 영향을 받기 때문에 지표면에서 멀어질수록 강하게 분다.

5) 대기경계층은 지표면의 마찰영향을 직접받아서 기상요소의 일변화가 일어나는 층이다.

6) 대류권의 고도는 겨울철에 낮고, 여름철에 높으며, 보통 저위도 지방이 고위도 지방에 비해 높다.

7) 대류권에서는 고도가 높아짐에 따라 단열팽창에 의해 6.5℃/km씩 낮아지는 기온 감률 때문에 공기의 수직혼합이 일어난다. 즉, 기층이 불안정하여 대류현상이 일어나기 쉽다.

8) 대류권 내 건조대기의 성분 및 조성

농도가 매우 안정된 성분으로는 산소, 질소, 아르곤이다.

지표 부근의 표준상태에서의 건조공기의 구성성분은 부피농도로 질소>산소>아르곤>이산화탄소의 순이다.

이산화질소, 암모니아 성분은 농도가 쉽게 변하는 물질에 해당한다.

오존의 평균농도는 0.04ppm 정도로 지역별 오염도에 따라 일변화가 매우 크다.

아르곤은 농도가 안정된 물질에 속하며 그 농도는 0.934% 정도를 나타낸다.

메탄은 쉽게 농도가 변하지 않는 물질에 해당한다.

쉽게 농도가 변하지 않는 물질로서 농도 크기순은 Ne>He>Kr>Ke 이다.

COMPOSITION, CHEMISTRY, AND CLIMATE OF THE ATMOSPHERE, Hanwant B. Singh

3. 성층권(Stratosphere)

1) 성층권의 고도는 약 11km~50km까지이다.

2) 성층권역에서는 고도에 따라 온도가 증가하고, 하층부의 밀도가 커서 안정한 상태를 나타낸다. 즉 대기의 대류현상이 일어나지 않는다.

→ 오존이 Ultraviolet solar radiation을 흡수하기 때문

 

3) 하층부의 밀도가 커서 매우 안정한 상태를 유지하므로 공기의 상승이나 하강 등의 연직운동은 억제된다.

4) 화산분출 등에 의하여 미세한 분진이 이 권역에 유입되면 수년간 남아있게 되어 기후에 영향을 미치기도 한다.

5) 자외선복사에너지는 성층권을 통과할수록 서서히 감소하여 가장 낮은 온도는 성층권 하부에서 나타난다.

6) 오존층

오존농도의 고도분포는 지상 약 20~25km 내에서 평균적으로 약 10ppm(10000ppb)의 최대농도를 나타낸다.

오존의 생성 및 분해반응에 의해 자연상태의 성층권 영역에서는 일정한 수준의 오존량이 평형을 이루어, 다른 대기권 영역에 비해 오존농도가 높은 오존층이 생긴다.

지구 전체의 평균오존량은 약 300Dobson 전후이지만, 지리적 또는 계절적으로는 평균치의 ±50% 정도까지 변화한다.

290nm이하의 단파장인 UV-C는 대기 중의 산소와 오존분자 등의 가스 성분에 의해 그 대부분이 흡수되어 지표면에 거의 도달하지 않는다.

오존층에서는 오존의 생성과 소멸이 계속적으로 일어나면서 오존의 농도를 유지한다.

 

• 1Dobson : 지구 대기중의 오존의 총량을 0℃ 1기압의 표준상태에서 두께로 환산했을 때 0.001mm(10um)에 상당하는 양을 의미한다. 즉, 10um 두께의 오존을 지표에 깔 수 있을 정도의 오존의 양을 말하며, 이는 평방 미터당 2.69×1020개의 오존원자가 있는 정도이다.

 

4. 중간권(Mesosphere)

1) 중간권의 고도는 약 50km에서 90km까지이다.

2) 고도에 따라 온도가 낮아지며, 지구 대기층 중에서 가장 기온이 낮은 구역이 분포한다.

3) 대기층에서 가장 낮은 온도를 나타내는 부분은 중간권의 상층 부분으로 약 – 90℃에 달한다.

4) 대기는 불안정하여 점진적으로 대류현상은 나타나지만, 수증기가 거의 없으므로 기상현상을 일어나지 않는다.

5) 유성체로부터 지구를 보호하는 역할을 한다 (마찰에 의해 중간권에서 연소)

 

5. 열권(Thermosphere)

1) 열권의 고도는 약 80km 이상이며, 이 권역에서는 분자들이 전리상태에 있기 때문에 전리층이라고도 한다.

* 전리상태 : 원자핵의 구속력으로부터 완전히 벗어나 원자는 전자를 잃어 이온화 되는 상태

2) 질소나 산소가 파장 0.1um 이하의 자외선을 흡수하기 때문에 온도가 증가한다.

3) 대기의 밀도가 매우 작기 때문에 충돌에 의한 에너지 전달과정이 없다.

4) 이온과 자유전자들이 분포하며 전기적현상(전리층,오로라)이 발생한다.

5) 공기가 매우 희박하여, 낮과 밤의 기온차가 심하다.

6) 대류권과 비교했을 때 열권에서 분자의 운동속도는 매우 느리지만 공기평균 자유행로는 길다.

 

→ Molecular Scale Temperature가 80km 이상에서는 Kinetic Temperature보다 커지기 때문에 고도 상승에 따른 기온도 상승한다. (그 이하 중간권에서는 Tm=T)

 

 

6. 대기조성에 따른 구분

1) 균질층(Homosphere)

지상 0~80(88km) 정도까지의 고도를 갖는다.

수분을 제외하고는 질소 및 산소 등 분자조성비가 어느정도 일정하다.

균질층 내의 공기는 건조가스로서 지상 0~30km 정도까지 공기의 98%가 존재하고 있다.

균질층 대기성분의 부피비율 : 질소>산소>아르곤>탄산가스>네온>헬륨

 

2) 이질층(Heterosphere)

고도 80km 이상을 이질층이라 분류한다.

이질층은 보통 4개의 층으로 분류되며 질소층, 산소원자층, 헬륨층, 수소원자층으로 분류한다(3600~9600km)

이질층 내의 공기는 강한 산화력으로 인하여 지상에서 발생되어 상승한 이물질을 산화, 소멸시킨다.

 

[참고문헌]

대기환경기사 산업기사 필기, 주경야독, 서영민 이철한 달팽이, 2015

US Standard atmosphere, 1962

COMPOSITION, CHEMISTRY, AND CLIMATE OF THE ATMOSPHERE, Hanwant B. Singh

 

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