지구의 대기층은 여러층으로 나뉘어져 있는데요, 각 층에 대한 설명해주실 수 있나요?
지구의 대기층은 여러 층으로 나뉘어 있습니다. 각 층의 이름과 그 특징을 설명해 주세요. 예를 들어, 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권 등이 있습니다. 각 층의 역할과 중요성에 대해 설명해 주세요.
안녕하세요. 김칠영 박사입니다.
높이(고도)에 따르는 지구 대기의 온도 분포는 다음 그림과 같이 아주 특이한 양상을 보이고 있는데, 각 권역의 기온분포와 그 특성에 따라 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 나누어집니다.
지구를 덥혀주는 태양에너지의 형태는 크게 가시광 에너지, 자외선 에너지, 그리고 태양풍 에너지가 있는데, 지구 대기권의 온도구조는 이들 에너지를 어디에서 무엇이 어떻게 열원으로 흡수하고 또한 이렇게 가열된 공기가 어떤 과정으로 냉각되는가에 따라 결정됩니다. 높이(고도)에 따르는 지구 대기의 온도 분포는 다음 그림과 같이 아주 특이한 양상을 보이고 있는데, 각 권역의 기온분포와 그 특성에 따라 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 나누어집니다.
지구를 덥혀주는 태양에너지의 형태는 크게 가시광 에너지, 자외선 에너지, 그리고 태양풍 에너지가 있는데, 지구 대기권의 온도구조는 이들 에너지를 어디에서 무엇이 어떻게 열원으로 흡수하고 또한 이렇게 가열된 공기가 어떤 과정으로 냉각되는가에 따라 결정됩니다.
지구로 들어오는 태양에너지 대부분은 가시광 파장의 빛 에너지로 전달되는데, 가시광 광자는 광자당 에너지가 작아서 대기권의 분자나 원자를 깨뜨리지 못합니다. 그러므로 대부분의 가시광은 대기권을 그대로 통과하여 지표면에 도달하고서야 비로소 흡수되거나 반사됩니다. 그에 비하여 태양 자외선은 그 양이 많지는 않지만, 광자당 에너지가 크기 때문에 공기 분자를 깨뜨려 해리시키면서 직접 대기권에 흡수될 수 있습니다. 또한 고에너지 입자의 흐름인 태양풍은 그 에너지가 매우 커서 원자를 깨뜨리고 전리시키면서 대기권에 흡수될 수 있습니다. 이러한 이유로 태양풍은 전리층에서 흡수되어 열권을 가열하고, 자외선은 오존층에 흡수되어 성층권을 가열하며, 가시광은 지표면에 흡수되어 대류권을 가열합니다. 그런데 대기권 온도 분포는 이러한 열원뿐만 아니라 냉각과도 관련이 있어서, 가열과 복사냉각이 평형을 이루는 상태에서 그림과 같이 높이에 따라 결정되게 됩니다. 다음은 각각의 권역에 대하여 그 열원과 특징에 대하여 알아보겠습니다.
대류권은 대류가 일어나는 권역인데, 이 권역의 기온을 높이는 열원은 태양 빛을 흡수하여 온도가 높아진 지표면의 열에너지입니다. 태양 빛을 흡수하여 온도가 높아진 지표면은 인접한 공기를 데워서 기온을 높이는데, 위로 올라갈수록 지표면으로부터의 거리가 멀어지므로 공기가 덜 데워져서 기온이 낮아집니다. 그런데 이러한 기온분포에서는 잘 알려지다시피 대류현상이 잘 일어납니다. 불균등 가열로 어느 지역의 기온이 올라가면 공기 덩어리가 팽창하면서 밀도가 낮아지고 그 결과 상대적으로 밀도가 높은 주변 공기의 부력을 받아 상승함으로써 대류현상이 일어나게 됩니다. 이런 연유로 이 권역을 대류권이라고 하는데, 수증기를 많이 품고 있는 지표면 공기가 대류로 인하여 상승하고 단열팽창으로 기온이 낮아지면 공기 중의 수증기가 응결되어 구름을 형성하고 때로는 비를 내리기도 합니다. 즉 이 권역은 대류로 인한 다양한 기상 현상이 나타나는 영역입니다.
성층권은 고도가 높아질수록 온도가 높아지는 역전층 기온분포를 갖기 때문에 자발적으로는 대류가 일어나지 않는 절대 안정인 권역으로, 이러한 기온구조를 갖게 하는 다시 말해 성층권을 가열하는 열원은 가시광보다 파장이 짧아 광자당 에너지가 매우 큰 태양 자외선입니다. 태양 자외선은 광자당 에너지가 매우 크기 때문에 질소나 산소 분자 등을 깨뜨리면서 대기층에 흡수되고, 그 결과 기온을 높이는 열원으로 작용합니다. 태양으로부터 오는 자외선은 높은 곳부터 직접 흡수되고 또한 높을수록 밀도가 낮아 냉각이 잘 이루어지지 않다 보니, 그림과 같이 고도가 높을수록 온도가 높아지는 일종의 역전층 기온분포 구조를 갖게 되었습니다. 한편 광자당 에너지가 큰 자외선은 산소 분자를 깨뜨려 원자 산소를 만들고, 이 원자 산소는 다시 분자 산소와 결합하여 O3 즉 오존을 만들기도 합니다. 오존 또한 자외선을 잘 흡수함으로써 피부를 태우는 자외선을 효과적으로 잘 막는 방패 역할을 하고 있으므로, 특별히 오존이 많이 분포하는 영역을 오존층이라 부르기도 합니다.
중간권은 대기권의 중간에 위치하여 다른 권역과 달리 뚜렷한 열원이 없고 오로지 위아래 권역에서 들어오는 소량의 열에너지만으로 기온이 유지되는 특징 없는 권역으로, 영하 100℃까지 내려가기도 합니다. 이 권역은 성층권에서 자외선에 의해 해리되어 생성된 고온의 원자 질소나 원자 산소들이 위로 떠올라와 식어가는 영역으로, 밀도가 너무 낮아 재결합도 거의 일어나지 않고 이온화도 되지 않으면서 그저 그냥 떠돌아다니다가 적외선을 방출하면서 식어갑니다. 이 권역의 기온분포는 위로 갈수록 온도가 낮아지므로 약한 대류가 일어나지만, 실제로는 수증기가 없고 공기 밀도가 너무나 낮아 대류권과 달리 뚜렷한 기상 현상은 거의 일어나지 않습니다.
열권은 태양으로부터 날아오는 태양풍이나 고에너지 광자들이 지구 대기권에 진입하여 원자와 충돌하고 이온화시키면서 기온을 높여주는, 즉 열원 역할을 하는 권역입니다. 이곳은 성층권과 비슷한 이유로 역전층 기온분포 구조를 갖게 되어 이 권역에서는 대류가 일어나지 않습니다. 한편 이 권역은 80km 이상의 높이에서 고에너지 입자에 의해 전리된 전자와 이온 등 전기를 띤 입자들로만 이루어지므로 전리층이라고 하는데, 이러한 하전입자들은 전파를 반사하기 때문에 한 때는 원거리 통신에 이용되기도 하였지요. 한편 이 권역의 온도는 영하 100℃에서부터 2,000℃까지 그 범위가 매우 넓은데, 그 이유는 고도 범위가 80km에서 1,000km까지 넓기도 하고 또한 이 권역은 역전층 구조를 이루므로 저온층과 고온층의 물질이 서로 섞이지 않으며 한번 가열된 입자들은 밀도가 너무나 희박하여 냉각 시간이 오래 걸려 고온 상태를 그대로 유지할 수 있기 때문입니다. 또한 열권의 상부에서 온도가 2,000℃로 매우 높다고 하지만, 이 지역은 결코 뜨겁다고 할 수는 없습니다. 그곳의 입자밀도가 너무나 작으므로 온도는 높지만, 시간당 전달되는 열에너지가 작기 때문입니다. 온도가 100℃인 사우나는 45℃인 열탕보다 그 온도가 훨씬 높지만, 훨씬 더 뜨겁다고 느끼지 않는 것과 같은 원리입니다.
외기권은 1,000km 밖의 영역에서 밀도가 극도로 낮아지고 지구의 중력도 약해져 고속으로 움직이던 입자들이 지구를 벗어나 떨어져 나가는 권역으로, 단순히 입자의 속도만으로 구해지는 온도는 2,000℃ 이상으로 매우 높습니다. 또한 외기권 밖에는 대기권이라고 할 수는 없지만, 고에너지 하전입자들이 지구 자기장에 붙잡혀 북극과 남극 지역을 왕복하는 밴앨런대가 존재하여서 고에너지 하전입자의 흐름인 태양풍의 폭격으로부터 지구를 보호해주는 방패 역할을 하고 있습니다.
1명 평가안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
지구는 크게 4개의 층으로 나뉘어져 있지요! 요즘은 여기에 1개를 더하여 정의합니다!
높이에 따른 기온변화를 기준으로 대류권(지표면에서 약 10~15km 높이까지. 기상 현상과 날씨가 발생하며, 온도는 고도에 따라 감소하죠), 성층권(약 15~50km 높이. 오존층이 위치해 자외선을 흡수하며, 온도가 고도에 따라 증가합니당), 중간권(약 50~85km 높이. 이 층에서 기온이 다시 감소하며, 유성들이 불타는 곳이며), 열권(약 85~600km 높이. 태양 복사 에너지를 흡수해 온도가 매우 높아지며, 오로라가 발생하는 곳으로 알려져 있죵) 마지막으로 외기권이라고 불리우는 공간이며 이 공간은 약 600km부터 우주 공간으로 이어지는 층. 대기의 밀도가 매우 낮고, 우주와 대기의 경계라고 알려져 있습니당! 대략적으로 1000km까지를 나타내지용! 날이 덥습니당! 몸조리 잘하시고 좋은하루 되셨으면 좋겠습니당!
