대기는 층을 이루고 있으며, 이 층은 대기의 온도가 고도에 따라 어떻게 변하는지와 일치한다. 고도에 따른 온도 변화의 방식을 이해함으로서 우리는 대기가 어떻게 작용하는지를 많이 배울수있다. 예를 들어, 기상 현상이 가장 낮은 층에서 발생하는 이유는 지구 표면이 대기의 주요 열원이라는 것이다. 지표면 부근의 공기를 가열하면 따뜻한 공기가 찬 공기 아래에 놓이게 되는데, 이것은 궂은 날씨를 일으킬수 있는 불안정한 상황이다.
학습 목표 +/-
- 대기의 주요 층과 온도를 나열하기.
- 대류권에서 모든 기상 현상이 발생하는 이유를 토론하기.
- 오존층이 유해한 광선으로부터 지표면을 어떻게 보호하는지 토론하기.
기온 분포 +/-
따뜻한 공기는 위로 올라간다. 가스 분자는 자유롭게 이동할수 있으며 분자는 필요한만큼의 공간을 차지할수 있다. 분자가 차가울때는 활동이 둔해지기 때문에, 공간을 적게 차지한다. 분자가 따뜻하면 활발하게 움직이며 더 많은 공간을 차지한다. 이러한 큰 부피에서 같은 수의 분자를 사용하면 공기 밀도가 작아진다. 따뜻하고 가벼운 공기는 위쪽은 차가운 공기보다 부력이 크기 때문에 위로 올라간다. 차가운 공기는 밀도가 크기 때문에 아래로 내려간다. 따뜻한 공기와 찬 공기의 이동은 대기를 이해하는데 매우 중요한 개념이다.
이전 절에서 배웠듯이 가스의 조성은 지구 대기의 첫번째 100km에서 거의 동일하다. 이것은 우리가 대기 중의 다른 기체 비중을 측정한다면 기본적으로 동일하게 유지된다는 것을 의미한다. 그러나 기체의 밀도와 기압은 고도에 따라 변한다. 고도가 올라감에 따라 기체의 밀도가 감소하고 기압이 내려간다. 기온은 고도에 따라 가장 두드러지게 변한다.
대기는 고도에 따라 온도가 어떻게 변하는지에 따라 대기층으로 나누어진다. 각 층의 온도 분포가 다르다. 일부 대기층에서는 고도에 따라 온도가 올라가고 다른 대기층에서는 고도에 따라 온도가 내려간다. 각 대기층의 온도 분포는 대기층의 열원에 따라 결정된다. 4가지 주요 대기층의 각각 다른 온도 분포는 대기의 열적 구조를 만든다.
대기에서 여러개의 층이 있다. 첫번째 층은 대류권이다. 그것은 지표면에 가장 가깝고 때로는 낮은 대기라고도 한다. 2번째 층은 성층권이며 때로는 상부 대기권이라고도 한다. 대기의 중요한 과정 대부분은 2개의 대기층 중 하나에서 일어난다.
대류권 +/-
대기 중 가스의 약 3/4이 대류권에서 발견된다. 왜냐하면 중력은 대부분의 가스를 지구 표면 가까이로 끌어들이기 때문이다. 나머지 대기와 마찬가지로 99%의 가스가 질소와 산소이다.
대류권의 두께는 행성 주변에서 다양하게 나타난다. 적도 근처에서 대류권은 지구의 회전이 공기를 적도쪽으로 옮기는 경향이 있기 때문에 극보다 두꺼운 편이다. 대류권의 두께는 계절에 따라 다르다. 대류권은 여름에는 두껍고 겨울에는 더 얇다.
지구의 표면은 대류권의 주요 열원이다. 열은 어디에서 오는가? 거의 모든 열은 직접적으로나 간접적으로 태양에서 온다. 들어오는 일부 햇빛은 대기의 가스를 직접 데운다. 그러나 더 많은 햇빛이 지구의 암석, 토양 및 물과 충돌하면서 대기로 방출되어 대류권을 더 따뜻하게 한다. 대류권에서는 고도에 따라 온도가 내려간다. 평균적으로, 대류권에서는 고도가 1000m 올라갈때마다 온도가 6.5°C 내려간다.
따뜻한 공기가 가벼워서 위로 올라가기 때문에, 대기는 불안정하다. 따라서 따뜻한 공기는 위로 올라가고 차가운 공기는 아래로 내려간다.
대류권 상단에는 대류권 계면이라고 하는 얇은 층이 있다. 대류권 계면에서는 온도가 일정하다.
성층권 +/-
성층권은 대류권 계면 위에 있다. 화산이 성층권으로 진입하는 먼지와 가스를 분출할때, 수년 동안 거기에서 머무른다. 이것은 성층권과 대류권이 거의 섞이지 않기 때문이다.
성층권에서는 고도에 따라 온도가 올라간다. 그 이유는 태양열을 직접적으로 흡수하기 때문이다. 오존층은 태양의 복사열을 흡수하여 성층권을 가열한다. 대류권과는 달리, 성층권은 따뜻하고 가벼운 공기가 차갑고 무거운 공기 위에 있기 때문에 안정적이다.
성층권은 오존층을 제외하고 대기의 나머지와 동일한 가스 성분이 있다. 오존층은 성층권에서 15~30km의 고도에서 발견된다. 오존층의 두께는 계절과 위도에 따라 다르다. 오존층에 존재하는 오존의 양은 매우 적어서 백만 개의 공기 분자당 몇 분자만 존재한다. 오존층은 태양의 유해한 자외선 대부분을 흡수하기 때문에 매우 중요하다.
오존은 어떤 역할을 하는가? 오존층을 통과하는 고에너지 자외선은 오존 분자 O3을 하나의 산소 분자 (O2)와 하나의 산소 원자 (O)로 분해한다.
중간권 +/-
중간권에서의 온도는 고도에 따라 하강한다.
중간권의 공기는 매우 희박하다. 대기 질량의 99.9%는 중간권 아래에 있다. 결과적으로 기압은 매우 낮다. 다른 기체에 비해 산소의 양은 해수면과 같지만 기체가 매우 희박하기 때문에 산소가 매우 희박하다.
열권과 외기권 +/-
열권은 중간권 위에 있다. 국제 우주 정거장은 지상 320~380km 지점에서 열권 상부를 공전한다.
열권에서 우주 비행사는 무엇을 경험하는가? 열권의 온도는 짧은 파장의 태양 에너지를 흡수하기 때문에 1000°C를 초과할수 있다. 그러나 이러한 고온에도 불구하고 ISS 외부의 대기는 춥게 느껴진다. 분자의 밀도가 매우 작아서 하나의 기체 분자는 다른 분자와 충돌하기 전에 1km 가량 지날수있다.
열권 내부에는 전리층이 있다. 전리층은 질소와 산소 분자가 태양 광선에 의해 이온화되기 때문에 그 이름이 붙여진다. 이온화 과정에서 중성화된 분자는 태양에서 고에너지, 단파장 에너지를 흡수한다.