(2) Atmosphere

Atmosphere

 

대기는 지구를 둘러싸고 있는 기체들의 혼합물로 구성된 공기 봉투이다. 이는 지구 표면으로부터 거의 350마일까지 도달한다. 이러한 혼합물은 계속하여 움직인다. 만약 대기가 눈에 보인다면 이는 소용돌이치는 바다, 상승 및 하강하는 공기, 그리고 먼 거리를 이동하는 파도처럼 보일 수 있다.

 

지구의 생명체는 대기, 태양 에너지, 그리고 지구 자기장에 의해 유지된다. 대기는 태양으로부터 에너지를 흡수하고, 물과 그 외의 화학 물질을 순환시키며, 적당한 기후를 제공하기 위해 전기력 및 자기력과 함께 작용한다. 또한 대기는 높은 에너지 복사, 그리고 우주의 차디찬 진공으로부터 지구의 생명체를 보호한다.

 

Composition of the Atmosphere

 

특정 부피의 공기에서 질소는 대기를 구성하는 기체의 78%를 차지하고 산소는 21%를 차지한다. 아르곤, 이산화탄소, 그리고 그 외의 기체들은 나머지 1%를 차지한다. 이 공기에는 약간의 수증기가 0 ~ 5% 포함되어 있다. 이 적은 양의 수증기는 날씨의 주요한 변화에 책임이 있다. [그림 12-1]

지구를 둘러싸고 있는 기체는 밑에서부터 끝까지 변화한다. 열 특성(온도 변화), 화학적 구성, 움직임, 그리고 밀도를 통해 네 개의 서로 다른 층들이 식별된다. [그림 12-2]

대류권(troposphere)이라 알려진 첫 번째 층은 지구 표면으로부터 6 ~ 20km(4 ~ 12마일)에 걸쳐 확장된다. 적도 지역에서는 최대 48,000ft(14.5km)까지 확장된다. 기상, 구름, 폭풍, 그리고 온도 변화의 대부분이 대기의 첫 번째 층에서 발생한다. 대류권 내부의 평균 온도는 고도가 1,000ft 증가할 때마다 약 섭씨 2도씩 감소한다. 그리고 압력은 고도가 1,000ft 증가할 때마다 약 1인치씩 감소한다.

 

대류권의 꼭대기에는 대류권계면(tropopause)이라 알려진 경계가 있다. 이는 수분, 그리고 관련 기상을 대류권에 가둔다. 대류권계면의 고도는 위도와 계절에 따라 다르다. 대류권계면은 보통 제트 기류, 그리고 청천난기류와 연관되어 있으므로 중요하다.

 

대류권계면의 위에는 3개의 대기층이 더 있다. 첫 번째는 대류권계면으로부터 약 고도 160,000ft(50km)까지 뻗어 있는 성층권이다. 이 층에는 기상이 거의 없으며 공기는 안정적이다. 허나 특정 유형의 구름이 종종 성층권까지 확장된다. 성층권 위에는 기상에 거의 영향을 미치지 않는 중간권, 그리고 열권이 있다.

 

Atmospheric Circulation

 

대기는 지속적으로 움직이고 있다. 대기가 움직이는 주요 요인은 지구 표면의 불균등한 가열 때문이다. 이러한 가열은 대기의 균형을 깨서 공기의 움직임을, 그리고 기압을 변화시킨다. 지구 표면 주위의 공기 움직임을 대기 순환이라 부른다.

 

지구는 태양에서 방출되는 에너지에 의해 따뜻해진다. 이는 따뜻한 공기가 상승하여 차가운 공기로 대체될 때 발생하는 원형 운동을 유발한다.

 

따뜻한 공기는 상승한다. 왜냐하면 열이 공기 분자를 흩어지게 만들기 때문이다. 공기가 팽창함에 따라 밀도가 낮아지고 주변 공기보다 가벼워진다. 공기가 차가워지면 분자들은 더 가까이 모여들어서 밀도가 높아진다. 그리고 따뜻한 공기보다 무거워진다. 그 결과 시원한/무거운 공기는 가라앉아서 따뜻한/가벼운 공기를 대체하는 경향이 있다.

 

지구는 공전 도중 회전축을 중심으로 회전하는 곡면을 가지고 있다. 따라서 지구의 적도 지역은 극지방보다 태양으로부터 더 많은 양의 열을 받는다. 지구를 따뜻하게 하는 태양 에너지의 양은 특정 지역에 대한 일 년 중의 시기, 그리고 위도에 따라 달라진다. 이 모든 요소들은 햇빛이 지표면에 닿는 각도와 시간에 영향을 미친다.

 

태양열은 적도 지역의 온도를 상승시켜 공기 밀도를 낮추고 상승시킨다. 따뜻한 공기가 극을 향해 흐를 때 이는 차가워지고 밀도가 높아져서 다시 지면을 향해 가라앉는다. [그림 12-3]

Atmospheric Pressure

 

지구 표면의 불균등한 가열은 공기 밀도를 바꿀 뿐만 아니라 순환 패턴을 만든다. 이는 또한 공기 압력(공기 분자의 무게에 의해 가해지는 힘)을 변화시킨다. 비록 공기 분자는 눈에 보이지 않지만 무게를 가지고 있으며 공간을 차지한다.

 

1평방인치의 면적에 350마일 높이를 가진 밀폐된 공기 기둥을 상상해보라. 이 기둥을 들어 올리는데 14.7파운드의 작용력이 필요할 것이다. 이는 공기의 무게를 나타낸다. 만약 기둥이 짧아진다면 바닥에 가해지는 압력과 무게가 줄어든다.

 

18,000ft 상공에서 공기 기둥의 무게는 약 7.4파운드이다. 이는 대략 해수면의 절반이다. 예를 들어 해수면에 대해 보정된 저울을 18,000ft로 들어 올릴 경우 해수면에서 14.7파운드의 무게를 가졌던 공기 기둥이 18,000ft 짧아진다. 결국 해수면에서보다 약 7.3파운드(50%) 더 적게 무게가 나갈 것이다. [그림 12-4]

특정 장소 및 시간에서의 실제 압력은 고도, 온도, 그리고 공기밀도에 따라 다르다. 이러한 조건은 또한 항공기 성능(특히 이착륙과 상승률)에도 영향을 미친다.