(2) Structure of the Atmosphere

Structure of the Atmosphere

 

대기란 지구를 둘러싼 공기 봉투이다. 대기는 땅과 물만큼 지구의 많은 부분을 차지한다. 허나 공기는 기체들의 혼합물이라는 점에서 땅이나 물과 다르다. 대기는 질량, 무게, 그리고 정해지지 않은 모양을 가지고 있다.

 

대기는 78%의 질소, 21%의 산소, 그리고 기타 1% 기체들(예를 들어 아르곤이나 헬륨)로 구성된다. 이 원소들 중 일부는 다른 원소들보다 더 무겁다. 때문에 무거운 원소들(예를 들어 산소)은 지구 표면에 놓이는 반면 가벼운 원소들은 더 높은 고도로 상승한다. 대부분의 산소는 35,000ft 아래에 있다.

 

Air is a Fluid

 

대부분의 사람들은 “fluid(유체)”라는 단어를 들었을 때 이를 액체라 생각한다. 허나 기체도 유체이다. 유체는 유체가 담긴 용기의 형태를 띠게 된다. 유체는 보통 변형에 저항하지 않거나 아주 약간만 저항할 수 있다. 이러한 약간의 저항을 점성(viscosity)이라 부른다. 유체는 흐를 수 있는 능력도 가지고 있다. 공기는 액체와 마찬가지로 그것이 담긴 용기의 부피를 채우기 위해 팽창할 것이다. 액체와 기체는 밀도의 차이에도 불구하고 이러한 유체의 고유 특성을 나타낸다. 공기의 유체 특성을 이해하는 것은 비행 원리를 이해하는데 필수적이다.

 

Viscosity

 

점성이란 흐름에 저항하도록 만드는 유체의 특성이다. 유체의 각 분자들이 서로 달라붙어있으려는 경향에 의해 유체가 얼마나 저항하는지가 결정된다. 점성이 높은 유체는 두꺼우며 흐름에 저항한다. 반면 점성이 낮은 유체는 얇으며 쉽게 흐른다. 공기는 점성이 낮으며 쉽게 흐른다.

 

예를 들어 두 개의 동일한 경사로에 기름과 물을 쏟으면 점성의 차이로 인해 서로 다른 속도로 흐른다. 물은 자유롭게 흐르는 것처럼 보이는 반면 기름은 훨씬 더 느리게 흐르는 것처럼 보인다.

 

이번에는 그리스와 모터오일을 예로 들어보자. 둘은 유사한 액체이지만 그 점성이 다르기 때문에 서로 다른 움직임을 나타낼 것이다. 그리스는 매우 점성이 있다. 특정 시간동안 그리스는 매우 느린 속도로 흐를 것이다. 반면 모터오일은 그리스보다는 점성이 덜하기 때문에 훨씬 쉽게 흐른다.

 

모든 유체에는 점성이 있고 흐름에 대한 저항을 가진다. 우리는 공기의 점성을 쉽게 관찰할 수 없다. 허나 공기는 유체이며 점성 특징을 가진다. 따라서 공기는 물체의 주위를 흐를 때 어느 정도 저항한다.

 

Friction

 

유체가 물체의 주위를 흐를 때 작용하는 또 다른 요인을 마찰(friction)이라 부른다. 마찰이란 어떤 물체나 표면이 다른 물체나 표면의 위를 움직일 때 발생하는 저항이다. 서로 접촉한 두 물질 사이에는 마찰이 존재한다.

 

마찰의 영향은 이전과 유사한 예시를 통해 증명될 수 있다. 동일한 유체를 동일한 두 개의 경사로에 붓는다면 유체들이 동일한 속도로 흐른다. 허나 만약 하나의 경사로 표면은 거칠고 다른 하나의 경사로 표면은 매끄럽다면 두 경사로를 따라 내려가는 흐름이 크게 달라진다. 유체가 거친 표면의 경사로를 흐르면 저항(마찰)으로 인해 방해를 받는다. 모든 표면은 설령 아무리 매끄러워 보인다 하더라도 유체의 흐름을 방해한다는 것을 기억하라.

 

날개의 표면도 다른 표면들과 마찬가지로 특정한 거칠기를 가지고 있다. 표면의 거칠기는 저항을 발생시켜서 날개 위를 흐르는 공기의 속도를 늦춘다. [그림 4-1]

공기 분자가 날개의 표면 위를 통과할 때 마찰로 인하여 공기가 표면에 달라붙는다. 날개 표면 근처의 공기 분자는 움직임에 저항해서 0에 가까운 상대 속도를 갖는다. 표면의 거칠기가 공기 분자의 움직임을 방해한다. 날개 표면에 달라붙는 공기 분자들의 층을 경계층(boundary layer)이라 부른다.

 

여기에 점성으로 인하여 공기 흐름에 추가 저항이 발생한다. 마찰과 점성이 날개 위의 공기 흐름에 저항하기 위해 함께 작용할 때 이를 항력이라 부른다.

 

Pressure

 

압력이란 물체 표면에 수직 방향으로 가해지는 힘이다. 보통 압력은 물체의 평방 인치당 파운드(PSI)로 측정된다. 유체에 완전히 잠긴 물체는 전체 표면으로부터 균등하게 압력을 받게 된다. 물체의 한 표면에 가해지는 압력이 다른 표면에 가해지는 압력보다 낮아지면 물체는 압력이 더 낮은 쪽으로 이동할 것이다.

 

Atmospheric Pressure

 

압력의 종류는 매우 다양하지만 조종사들은 주로 대기압에 관심을 가진다. 이는 기상 변화의 기본 요소들 중 하나이다. 또한 대기압은 항공기의 부양을 도우며 중요한 계기들 중 몇몇을 작동시킨다. 이러한 계기에는 고도계, 속도계, 수직 속도계, 그리고 manifold pressure gauge가 있다.

 

공기는 매우 가볍지만 질량을 가지므로 중력의 영향을 받는다. 따라서 공기도 다른 물질들과 마찬가지로 무게에 의한 힘을 가지고 있다. 공기는 유동성 물체이므로 이 힘이 모든 방향에서 동일하게 작용한다. 대기 중의 물체에 공기가 미치는 영향을 대기압이라 부른다. 해수면에서 표준 조건일 때 대기의 무게에 의해 가해지는 평균 압력은 대략 14.70 psi(혹은 1,013.2 mb)이다. 대기의 두께는 유한하므로 고도가 높아질수록 상공의 공기가 적어진다. 때문에 대기의 무게는 18,000ft에서 해수면의 절반이 된다.

 

대기의 압력은 시간과 위치에 따라 달라진다. 대기압은 계속하여 변화하므로 기준이 만들어졌다. 해수면에서 표준 대기는 섭씨 15도(혹은 화씨 59도), 그리고 29.92＂Hg(혹은 1,013.2 mb)이다. [그림 4-2]

표준 기온 감률이란 온도가 1,000ft 당 약 섭씨 2도(혹은 화씨 3.5도)로 감소하는 경우이다. 이는 36,000ft(대략 섭씨 영하 55도, 혹은 화씨 영하 65도인 지점)까지 적용된다. 이 지점으로부터 80,000ft까지는 온도가 일정하다 간주된다. 표준 기압 감률이란 기압이 1,000ft 당 약 1＂Hg로 감소하는 경우이다. 이는 10,000ft까지 적용된다. [그림 4-3] ICAO(International Civil Aviation Organization)은 이를 전 세계적인 표준으로 제정하였다. 이는 보통 ISA(International Standard Atmosphere)나 ICAO Standard Atmosphere라 불린다. 표준 감률과 다른 온도/기압은 비표준 온도/비표준 기압으로 간주된다.

항공기 성능은 표준 대기와 연관하여 비교 및 평가되므로 모든 항공기 계기들은 표준 대기에 대해 보정된다. 비표준 대기를 제대로 설명하기 위해선 특정 관련 용어들을 정의해야 한다.

 

Pressure Altitude

 

기압 고도란 SDP(standard datum plane)로부터의 고도이다. SDP란 기압계로 측정하였을 때 대기의 무게가 29.92＂Hg(1,013.2mb)인 이론상의 층이다. 고도계는 표준 대기에서의 고도를 나타내기 위해 보정된 기압계이다. 만약 고도계가 29.92＂Hg SDP로 설정 되었다면 이는 기압 고도를 나타낸다. 대기압의 변화에 의해 SDP가 해수면보다 낮거나 높을 수 있다. 기압 고도는 비행기 성능을 결정하는 기준이므로 매우 중요하며 18,000ft 이상(국내의 경우 14,000ft 이상)을 운항하는 비행기에게 flight levels를 할당하는데 있어서도 중요하다.

 

기압 고도는 다음 방법들 중 하나로 결정될 수 있다:

 

1. 고도계의 기압계 눈금을 29.92로 설정한 다음 지시 고도를 읽는다.

 

2. 지시 고도에 현재 altimeter setting 수정 값을 적용한다.

 

Density Altitude

 

SDP는 이론상의 층이다. 허나 항공기는 비표준 대기를 운영하므로 비표준 대기를 공기역학적 성능과 연관시키기 위해 밀도 고도가 사용된다. 밀도 고도란 표준 대기 상 해수면으로부터 특정 밀도가 발생하는 고도이다. 공기의 밀도는 항공기의 성능에 상당한 영향을 미친다. 왜냐하면 공기 밀도가 낮아지면 다음이 감소하기 때문이다:

 

• 출력. 엔진이 더 적은 공기를 흡입하기 때문.

• 추력. 공기 밀도가 낮아지면 프로펠러가 효율이 떨어지기 때문.

• 양력. 공기 밀도가 낮아지면 에어포일에 가해지는 힘이 적어지기 때문.

 

밀도 고도는 기압 고도에서 비표준 온도를 수정한 것이다. 공기의 밀도가 증가하면 항공기의 성능이 증가한다. 반면 공기의 밀도가 낮아지면 항공기의 성능이 감소한다. 공기 밀도의 감소는 높은 밀도 고도를 의미하며 공기 밀도의 증가는 낮은 밀도 고도를 의미한다. 밀도 고도는 항공기 성능을 계산하는데 사용된다. 왜냐하면 표준 대기 조건에서는 각 층의 공기가 특정 밀도를 가지며 기압 고도와 밀도 고도가 동일한 층을 식별하기 때문이다.

 

밀도 고도를 계산하기 위해서는 기압(기압 고도)과 온도가 고려되어야 한다. 항공기 성능 데이터는 표준 대기 조건에서의 공기 밀도를 기반으로 하므로 이러한 성능 데이터가 고도계가 지시하는 공기 밀도와 다를 수도 있다. 표준보다 높거나 낮은 밀도 조건에서는 고도계로부터 밀도 층을 직접 확인할 수 없다.

 

먼저 기압 고도를 찾은 다음 이 고도를 비표준 온도 변화에 대해 보정해야 밀도 고도가 결정된다. 밀도는 압력에 비례하고 온도에 반비례하므로 밀도의 변화를 통해 다양한 온도에 대해 특정 기압 고도가 존재할 수 있다. 허나 특정 밀도는 하나의 온도 및 기압 고도에서 발생한다. 공기의 밀도는 항공기와 엔진 성능에 현저한 영향을 미친다. 항공기는 실제 고도와 상관없이 현재의 밀도 고도에서 운항하는 것처럼 작동한다.

 

공기 밀도는 고도, 온도, 그리고 습도의 영향을 받는다. 높은 밀고 고도는 희박한 공기를, 반면 낮은 밀도 고도는 빽빽한 공기를 나타낸다. 높은 밀도 고도를 발생시키는 조건은 높은 표고, 낮은 대기압, 높은 온도, 그리고 높은 습도이다. 낮은 표고, 높은 대기압, 낮은 온도, 그리고 낮은 습도는 낮은 밀도 고도를 나타낸다.

 

Effect of Pressure on Density

 

공기는 기체이므로 압축/팽창될 수 있다. 공기가 압축되면 더 많은 양의 공기가 특정 부피를 차지할 수 있다. 반대로 특정 부피의 공기에 대한 압력이 감소하면 공기가 팽창해서 더 큰 공간을 차지한다. 압력이 감소하면 기존의 공기 기둥은 더 적은 양의 공기를 포함하게 된다. 밀도는 압력에 비례하므로 밀도가 감소한다. 만약 압력이 두 배가 되면 밀도도 두 배가 된다. 단, 이는 온도가 일정한 경우에만 유효하다.

 

Effect of Temperature on Density

 

물질의 온도가 높아지면 밀도가 낮아진다. 반대로 온도가 낮아지면 밀도가 증가한다. 따라서 공기의 밀도는 온도에 반비례한다. 단, 이는 압력이 일정한 경우에만 유효하다.

 

대기에서는 고도가 높아질수록 온도와 압력이 모두 감소한다. 온도와 압력의 감소는 밀도에 상반된 영향을 미친다. 허나 고도 증가에 의하여 압력이 감소하는 것이 더 지배적인 영향을 미친다. 따라서 조종사들은 고도가 높아질수록 밀도가 감소하리라 예상할 수 있다.

 

Effect of Humidity(Moisture) on Density

 

앞선 설명들은 완벽하게 건조한 공기에 적용된다. 허나 현실에서는 공기가 완벽하게 건조할 수 없다. 특정 조건에서는 대기 중에 떠있는 소량의 수증기가 거의 무시될 수 있지만 그 외의 조건에서는 습도가 항공기 성능에 중요한 요소가 될 수 있다. 수증기는 공기보다 가볍다. 따라서 습한 공기는 건조한 공기보다 가볍다. 결국 공기의 수분 함량이 증가할수록 공기의 밀도가 낮아져서 밀도 고도가 높아지고 성능이 저하된다. 특정 조건에서 가장 많은 양의 수증기를 포함하는 공기가 가장 가볍다(즉, 가장 밀도가 낮다).

 

습도(상대습도라고도 불림)는 대기에 포함된 수증기의 양을 나타낸다. 이는 공기가 담을 수 있는 최대 수증기 양에 대해 백분율로 표현된다. 공기가 담을 수 있는 수증기의 양은 온도에 따라 달라진다. 따뜻한 공기는 더 많은 수증기를 담는 반면 차가운 공기는 더 적은 수증기를 담는다. 수증기를 전혀 포함하지 않는 건조 공기는 상대습도가 0%이다. 반면 수증기를 더 이상 담을 수 없는 포화 공기는 상대습도가 100%이다. 습도 하나만으로는 밀도고도와 항공기 성능을 계산하는데 중요한 요소로 간주되지 않지만 이는 여전히 기여 요소이다.

(출처: 네이버 지식백과)

온도가 높아질수록 공기는 더 많은 양의 수증기를 담을 수 있다. 따뜻하고 습한(두 가지 특성 모두 공기를 가볍게 만듦) 공기 덩어리와 차갑고 건조한(두 가지 특성 모두 공기를 무겁게 만듦) 공기 덩어리를 비교해 보면 첫 번째가 두 번째보다 밀도가 낮다. 압력, 온도, 그리고 습도는 항공기 성능에 큰 영향을 미친다. 왜냐하면 이들은 밀도에 영향을 미치기 때문이다.