대기

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1. 개요

대기는 천체 표면을 둘러싼 기체층으로, 항성계 형성 과정에서 기원하며, 천체의 중력, 태양과의 거리, 내부 탈가스 작용 등에 의해 대기 구성과 두께가 결정된다. 지구 대기는 질소와 산소를 주성분으로 하며, 고도에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 구분된다. 대기는 생명체에 산소와 이산화탄소를 공급하고, 온실 효과를 통해 지구를 보온하며, 자외선을 차단하는 등 다양한 역할을 수행한다. 또한, 대기압과 대기 탈출은 천체의 지형과 기후에 영향을 미치며, 태양계 내 다른 천체, 특히 금성, 화성, 목성형 행성들의 대기 구성은 지구와 차이를 보인다.

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대기
지도 정보
기본 정보
정의	중력에 의해 천체 주위에 붙잡혀 있는 가스층
어원	그리스어 'ἀτμός(atmos)' (증기, 수증기)와 'σφαῖρα(sphaira)' (구, 공)의 합성어
구성
주요 구성 요소	기체
포함 요소	먼지 입자
기능
보호	유해한 자외선 차단 운석 충돌로부터 천체 표면 보호
온도 조절	온실 효과를 통해 표면 온도를 적절하게 유지
기타 기능	소리 전달 및 기상 현상 발생
행성 대기의 특징
두께	행성마다 상이함
밀도	표면에서 멀어질수록 감소
구성 요소	행성 형성 과정에서 기원 행성 내부 작용으로 인한 방출
지구 대기
구성	질소 (약 78%) 산소 (약 21%) 아르곤 (약 0.9%) 이산화탄소, 수증기, 기타 미량 기체
층 구조	대류권 성층권 중간권 열권 외기권
기타 천체의 대기
태양	광구, 채층, 코로나로 구성
달	매우 희박한 대기 존재
화성	주로 이산화탄소로 구성된 희박한 대기
금성	이산화탄소로 이루어진 매우 두꺼운 대기
목성	주로 수소와 헬륨으로 구성된 두꺼운 대기
토성, 천왕성, 해왕성	수소, 헬륨, 메탄 등으로 구성

2. 대기의 기원과 조성

항성계 형성 과정에서 원시행성핵은 성간 분자운이나 원시행성계 원반에서 다양한 두께의 대기를 가진 암석형 천체나 가스 행성, 또는 항성으로 진화할 수 있다.

대기의 구성과 두께는 원래 항성 성운의 화학적 조성과 온도에 의해 결정되지만, 천체 내부의 탈가스 과정을 통해 다른 대기가 생성되기도 한다. 대기권 형성은 일반적으로 행성 형성기와 내부 기체 누출 이후의 원시 태양계 성운의 화학 작용과 온도와 관련이 있다고 여겨진다. 대기권은 최초 발생 이후 여러 차례 변화를 거치며, 각각 다양한 구성을 가지고 현재에 이른다.

표면 중력(기체를 붙잡는 힘)은 행성마다 크게 다르다. 예를 들어, 목성형 행성 중 가장 큰 표면 중력을 가진 목성은 수소와 헬륨처럼 매우 가볍고, 표면 중력이 약한 행성에서는 유지할 수 없는 기체도 유지할 수 있다.

이 외에도 태양으로부터의 거리도 기체 분자를 우주 속도(기체 분자가 행성의 중력으로부터 벗어나는 속도)를 넘을 만큼 가열할 수 있는지 여부를 결정하는 요인이다. 따라서 멀리 떨어져 저온인 타이탄, 트리톤, 그리고 명왕성은 중력이 비교적 작음에도 불구하고 대기를 유지할 수 있다.

기체는 어떤 온도이든 다양한 속도로 움직이는 분자를 가지고 있으므로, 항상 소량은 우주 공간으로 방출된다. 같은 열 운동 에너지를 가지고 있는 경우, 가벼운 분자는 무거운 분자보다 빠르게 이동하므로, 저분자 기체는 고분자 기체보다 빠른 단계에서 손실된다.

금성과 화성은 대부분의 물을 태양의 자외선에 의해 수소와 산소로 광해리되어, 그중 수소가 우주로 방출된 단계에서 손실된 것으로 생각된다. 이 점에서 지구가 가진 지자기는 태양풍의 수소 방출을 억제하는 역할을 한다.

대기 감소를 초래할 수 있는 요인에는 표토와 극관에 대한 태양풍에 의해 유발된 스퍼터링 현상, 침식, 풍화 등이 있다. 지구 대기의 구성은 주로 이러한 현상의 부산물에 의해 유지되고 있는 것이다.

2. 1. 대기 조성

지구 대기는 질소(약 78%)와 산소(약 21%)를 주성분으로 하며, 아르곤(약 0.93%), 이산화탄소(약 0.04%) 등 미량 기체와 평균 약 1%의 수증기를 포함한다.^[5] 지구 대기의 조성은 생명체의 부산물에 의해 결정된다.^[5]

금성과 화성의 대기는 주로 이산화탄소로 구성되어 있다.^[4] 금성은 지구 대기압의 90배에 달하는 두꺼운 대기를 가지며, 표면 온도는 약 500°C에 이른다.^[15] 화성의 대기는 이산화탄소가 주성분이고 기압은 지구의 1/100 정도이며, 표면 온도는 영하권이다.^[15]

목성, 토성, 천왕성, 해왕성과 같은 목성형 행성들은 주로 수소와 헬륨으로 구성된 대기를 가지며, 미량의 복잡한 화합물을 포함한다.^[5]

토성의 위성 타이탄은 질소를 주성분으로 하는 짙은 대기(지구 대기압의 1.4배)를 가진다.^[15]^[11] 해왕성의 위성 트리톤과 명왕성은 질소와 메탄 등으로 구성된 희박한 대기를 가진다.^[12]

수성은 대기가 거의 없으며, 달보다는 짙지만 대부분 산소로 이루어져 있다. 그 외 유로파(산소), 이오(황), 가니메데(산소), 칼리스토(이산화탄소), 엔셀라두스(수증기)등도 매우 얇은 대기를 가지고 있다.

최초로 대기 구성이 밝혀진 외계 행성은 HD 209458b이며, 이 행성의 대기는 1,000K 이상의 온도로 가열되어 수소, 산소, 탄소, 황 등이 우주로 빠져나가고 있다.^[6]

3. 지구 대기권

지구 대기는 특정 기체 구성, 온도 및 압력과 같은 서로 다른 특성을 가진 층으로 구성되어 있다. 지구의 대기권은 기체층으로 지표에서 고도 약 1000 km까지 존재한다. 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며 그 외에 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등의 희소 기체가 포함되어 있다. 수증기를 제외한 공기 성분은 약 80 km까지 거의 일정하다.

지구 대기권은 고도에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권 등으로 구분된다. 기상의 변화는 대류권에서 나타나며 다른 권역에서는 오존층의 생성, 전자기파의 반사와 같은 성질을 보이는 특이층이 존재한다.

3. 1. 대류권

대류권은 대기의 가장 낮은 층으로, 지표면에서 성층권의 바닥까지 뻗어 있다. 대기 질량의 75~80%를 포함하고 있으며, 날씨가 발생하는 대기층이다.^[7] 대류권의 높이는 적도에서는 17km, 극지방에서는 7.0km로 다양하다.^[7]

3. 2. 성층권

성층권은 대류권 상단에서 중간권 하단까지 뻗어 있는 층이다.^[7] 고도 15km~35km 사이에 오존층을 포함하고 있으며, 이 층은 지구가 태양으로부터 받는 자외선 대부분을 흡수한다.^[7]

3. 3. 중간권

중간권은 50km~85km에 이르는 대기층이다.^[7] 이 층에서는 대부분의 유성이 지표면에 도달하기 전에 소멸된다.^[7]

3. 4. 열권

열권은 고도 85km에서 외기권의 기저인 690km까지 뻗어 있으며, 태양 복사가 대기를 이온화하는 전리층을 포함한다.^[7] 전리층의 밀도는 낮에는 지표면과 가까운 곳에서 더 크고, 밤에는 전리층이 상승함에 따라 감소하여 더 넓은 범위의 무선 주파수가 더 먼 거리를 이동할 수 있게 한다.^[7] 이 층에서는 오로라 현상이 나타나기도 한다.

3. 5. 외기권

열권 상층부에서 우주 공간으로 이어지는 층으로, 대기가 매우 희박하다.^[7] 외기권은 지표면으로부터 690~1,000km에서 시작하여 약 10,000km까지 뻗어 있으며, 지구의 자기권과 상호 작용한다.^[7]

3. 6. 지구 대기의 운동

공기에는 기압, 지면 마찰, 지구 자전에 의한 힘 등 여러 힘이 작용한다. 이 힘들의 균형에 의해 바람은 다양하게 변하며, '바람의 숨'과 같이 풍속과 풍향이 변동한다. 지형과 건물에 의한 저항으로 작은 소용돌이가 발생하여 순간 풍속은 일정하지 않으므로, 10분간 평균 풍속을 사용한다. 공기 운동은 바람 관측을 통해 알 수 있으며, 규모에 따라 다양한 운동으로 나뉜다. 가장 큰 규모의 운동은 지구를 둘러싼 대기의 흐름인 대기 순환이다. 대기 순환은 대류가 열복사보다 효율적으로 열을 수송할 때 발생하는 온도 차이로 인해 발생한다. 태양 복사가 주된 열원인 행성에서는 열대 지방의 과잉 열이 고위도로 수송된다. 목성과 같이 행성 내부에서 상당한 열이 발생하는 경우, 대기 대류는 고온의 내부에서 표면으로 열에너지를 수송할 수 있다.

3. 7. 지구 대기의 역할

지구 대기는 생명체에 산소 및 이산화탄소를 공급하고, 온실 효과를 통해 지구를 보온하며, 태양(Sun)으로부터 오는 자외선을 차단한다. 또한 저위도의 에너지를 고위도로 운반하고, 운석으로부터 지구를 보호하며, 지표면의 풍화 및 침식작용 역할을 한다.

행성 지질학자의 관점에서 대기는 행성 표면을 형성하는 역할을 한다. 바람은 먼지와 다른 입자들을 흩날리며, 이것들이 지형과 충돌하면서 지형을 침식하고 퇴적물을 남긴다 (풍성 작용). 대기 구성에 따라 달라지는 서리와 강수 또한 지형에 영향을 미친다. 기후 변화는 행성의 지질학적 역사에 영향을 줄 수 있으며, 지구 표면을 연구하면 다른 행성의 대기와 기후를 이해하는 데 도움이 된다.

기상학자에게 지구 대기의 구성은 기후와 그 변화에 영향을 미치는 요인이다.

생물학자 또는 고생물학자에게 지구 대기의 구성은 생명의 출현과 그 진화와 밀접하게 관련되어 있다.

4. 대기압

대기압은 행성 표면의 단위 면적에 수직으로 작용하는 단위 면적당 힘으로, 대기 중 기체 기둥의 무게에 의해 결정된다. 대기압은 측정 지점 위의 기체 질량이 감소하기 때문에 고도가 높아짐에 따라 감소한다. 기압의 단위는 표준 대기압(atm)을 기반으로 하며, 101,325 Pa (760 토르 또는 14.696 psi)에 해당한다. 대기압이 ''e''만큼 감소하는 고도를 스케일 높이(''H'')라고 한다. 온도가 균일한 대기의 경우, 스케일 높이는 대기 온도에 비례하고, 건조한 공기의 평균 분자량과 측정 지점에서의 국소 중력 가속도의 곱에 반비례한다.

5. 대기 탈출

표면 중력은 행성마다 크게 다르다. 예를 들어, 거대 행성 목성의 강한 중력은 낮은 중력을 가진 천체에서는 탈출하는 수소와 헬륨과 같은 가벼운 기체를 유지한다. 태양으로부터의 거리는 대기 가스를 가열하여 일부 분자의 열 운동이 행성의 탈출 속도를 초과하는 지점까지 에너지를 결정하여, 그 가스가 행성의 중력적 영향에서 벗어나게 한다.^[8] 따라서, 멀리 떨어져 있고 차가운 타이탄, 트리톤 및 명왕성은 비교적 낮은 중력에도 불구하고 대기를 유지할 수 있다.

기체 분자의 집합은 다양한 속도로 움직일 수 있으므로, 항상 우주로의 느린 기체 누출을 일으킬 만큼 충분히 빠른 분자가 존재한다. 가벼운 분자는 같은 열 운동 에너지를 가진 무거운 분자보다 더 빠르게 움직이므로, 낮은 분자량을 가진 기체는 높은 분자량을 가진 기체보다 더 빠르게 손실된다. 금성과 화성은 태양 자외선 방사선에 의해 광해리되어 수소와 산소로 분해된 후 수소가 탈출하면서 많은 물을 잃었을 것이라고 생각된다. 지구 자기장은 이를 방지하는 데 도움이 되는데, 일반적으로 태양풍은 수소의 탈출을 크게 증가시키기 때문이다. 그러나 지난 30억 년 동안 지구는 오로라 활동으로 인해 자기 극 지역을 통해 가스를 잃었을 수 있으며, 여기에는 대기 산소의 2%가 포함된다.^[8] 가장 중요한 탈출 과정을 고려할 때 순 효과는 고유 자기장이 행성을 대기 탈출로부터 보호하지 않으며, 일부 자화의 경우 자기장의 존재가 탈출 속도를 증가시키는 역할을 한다는 것이다.^[9]

대기 고갈을 일으킬 수 있는 다른 메커니즘은 태양풍에 의한 스퍼터링, 충돌 침식, 풍화작용, 그리고 레골리스와 극지방의 얼음층으로의 격리이다.

6. 지형에 미치는 영향

대기는 암석형 천체의 표면에 극적인 영향을 미친다. 대기가 없거나 혹은 외기권만 있는 천체는 표면이 충돌구로 뒤덮여 있다. 대기가 없으면 행성은 유성체로부터 보호받지 못하고, 모든 유성체가 운석으로 표면과 충돌하여 충돌구를 만들기 때문이다.^[10]

상당한 대기를 가진 행성의 경우, 대부분의 유성체는 행성 표면에 도달하기 전에 유성으로 타 버린다. 유성체가 충돌하더라도 그 영향은 바람의 작용에 의해 종종 지워진다.^[10]

풍화작용은 대기를 가진 암석형 행성의 지형을 형성하는 중요한 요소이며, 시간이 지남에 따라 충돌구와 화산의 흔적을 지울 수 있다.^[10] 또한, 압력 없이는 액체가 존재할 수 없기 때문에, 대기는 표면에 액체가 존재할 수 있게 하여 호수, 강, 바다를 만들어낸다.^[10] 지구와 타이탄은 표면에 액체가 있는 것으로 알려져 있으며, 행성의 지형은 과거 화성에 액체가 존재했음을 시사한다.^[10]

대기는 바람은 먼지나 입자 등을 운반하여 지표의 지형을 침식하고 퇴적물을 남긴다(풍성 시스템).^[10] 서리나 강수도 지형에 영향을 주며, 기후변화는 행성의 지사에 영향을 미칠 수 있다.^[10]

7. 태양계 내 다른 천체의 대기

수성은 대기가 거의 없으며, 대부분 산소로 이루어져 있다.^[15] 금성의 대기는 95% 이상이 이산화탄소로 구성되어 있으며 지구 대기압의 90배에 달하는 두꺼운 대기를 가지고 있다.^[15] 금성의 대기는 두껍고 이산화탄소가 많아 온실효과가 매우 활발하게 일어나 표면 온도가 500°C 가까이 근접한다.^[15]

화성의 대기는 대부분이 이산화탄소이며 기압은 지구의 1/100 정도이다. 화성은 자기장이 매우 미약해서 대기가 태양풍의 영향으로 쓸려나가고 있는 상태이다.

목성의 대기는 주로 수소로 이루어져 있으며 남반구에 커다란 소용돌이인 대적반이 관찰된다. 목성을 제외한 나머지 목성형 행성들인 토성, 해왕성, 천왕성 등의 행성도 목성 대기 성분과 비슷하다.

토성의 위성인 타이탄은 지구 대기압의 1.4배에 달하는 질소 주성분 대기가 있다.

7. 1. 태양의 대기

7. 2. 수성의 대기

7. 3. 금성의 대기

금성의 대기는 95% 이상이 이산화탄소로 구성되어 있으며 지구 대기압의 90배에 달하는 두꺼운 대기를 가지고 있다.^[15] 금성은 탈출 속도가 지구와 거의 비슷하지만, 표면 온도가 높아 질량이 작은 수소 기체 등은 활발한 분자 운동으로 인해 평균 운동 속도가 증가하여 금성을 벗어나 버리고, 질소와 약간의 아르곤 등이 대기 중에 분포하고 있다.^[15] 수증기는 대기 상층부에만 약간 존재하기 때문에 금성의 대기는 전체적으로 건조하다.^[15] 금성의 대기는 두껍고 이산화탄소가 많아 온실효과가 매우 활발하게 일어나 표면 온도가 500°C 가까이 근접한다.

7. 4. 달의 대기

7. 5. 화성의 대기

화성의 대기는 대부분이 이산화탄소이며 기압은 지구의 1/100 정도이다. 태양에서 비교적 먼 편이라 표면 온도는 영하권이다. 화성은 자기장이 매우 미약해서 대기가 태양풍의 영향으로 쓸려나가고 있는 상태이다. 또한 화성의 여름에는 극지방의 드라이아이스가 녹아 이산화탄소가 대기중으로 유입되어 대기가 약간 짙어진다.

7. 6. 세레스의 대기

7. 7. 목성의 대기

목성의 대기는 주로 수소로 이루어져 있으며 남반구에 커다란 소용돌이인 대적반이 관찰된다. 대체로 지구형 행성에 비해 매우 높은 기압을 가지고 있어서 탐사선을 통한 정확한 기압 측정이 불가능하다. 목성을 제외한 나머지 목성형 행성들인 토성, 해왕성, 천왕성 등의 행성도 목성 대기 성분과 비슷하다.

7. 7. 1. 이오의 대기

(내용 없음)

7. 7. 2. 칼리스토의 대기

(요약 및 원본 소스가 비어있으므로, 주어진 정보만으로는 내용을 작성할 수 없습니다.)

7. 7. 3. 유로파의 대기

7. 7. 4. 가니메데의 대기

(원본 소스가 비어있으므로, 요약 또한 비어있어 작성할 내용이 없습니다.)

7. 8. 토성의 대기

토성의 대기는 목성과 마찬가지로 주로 수소로 이루어져 있다. 목성형 행성인 해왕성, 천왕성도 토성의 대기 성분과 비슷하다.

7. 9. 천왕성의 대기

천왕성의 대기는 목성, 토성, 해왕성과 같이 목성형 행성으로 목성 대기 성분과 비슷하게 주로 수소로 이루어져 있다.

7. 9. 1. 티타니아의 대기

요약(summary) 및 원본 소스(source)가 제공되지 않아, 주어진 제목(title)과 섹션 제목(sectionTitle) 만으로는 내용을 작성할 수 없습니다. 내용을 작성하려면 요약 및 원본 소스 정보가 필요합니다.

7. 10. 해왕성의 대기

해왕성의 대기는 목성의 대기와 비슷하게 주로 수소로 이루어져 있다. 목성형 행성이므로 토성, 천왕성 대기 성분과도 비슷하다.

7. 10. 1. 트리톤의 대기

요약(summary)이 비어있어 원본 소스(source)만을 이용하여 내용을 작성합니다. 그러나, 원본 소스 또한 비어있기 때문에, 해당 섹션에 대한 내용을 생성할 수 없습니다.

7. 11. 명왕성의 대기

8. 태양계 외행성의 대기

HD 209458 b 등 일부 외계 행성에서 대기가 발견되었다.

9. 대기 순환

대기 순환은 대류가 열복사보다 열을 더 효율적으로 수송할 때 발생하는 온도 차이 때문에 발생한다. 태양 복사가 주된 열원인 행성에서는 열대 지방의 과잉 열이 고위도로 수송된다. 목성과 같이 행성이 내부에서 상당한 양의 열을 발생시키는 경우 대기의 대류는 고온의 내부에서 표면으로 열에너지를 수송할 수 있다.

10. 대기의 중요성

행성 지질학적 관점에서 대기는 행성 표면 형성에 중요한 역할을 한다. 바람은 먼지와 다른 입자들을 흩날리며, 이것들이 지형과 충돌하면서 지형을 침식하고 퇴적물을 남기는 풍성 작용을 일으킨다. 대기 구성에 따라 달라지는 서리와 강수 또한 지형에 영향을 미친다. 기후 변화는 행성의 지질학적 역사에 영향을 줄 수 있으며, 반대로 지구 표면을 연구하면 다른 행성의 대기와 기후를 이해하는 데 도움이 된다.

기상학적 관점에서 지구 대기의 구성은 기후와 그 변화에 영향을 미치는 요인이다.

생물학자 또는 고생물학자에게 지구 대기의 구성은 생물의 출현과 진화와 밀접하게 관련되어 있다.

11. 한국과 대기

참조

_[1] 웹사이트 ἀτμός https://perseus.tuft[...] Perseus Digital Library 2015-09-24
_[2] 웹사이트 Earth's Atmosphere Composition: Nitrogen, Oxygen, Argon and CO2 https://earthhow.com[...] 2017-07-31
_[3] 웹사이트 Evolution of the Atmosphere https://globalchange[...] 2023-04-30
_[4] 뉴스 What is the Atmosphere Like on Other Planets? https://www.universe[...] 2016-01-07
_[5] 웹사이트 Atmospheric Composition https://web.archive.[...] San Francisco State University 2019-10-22
_[6] 뉴스 Hubble Probes Layer-cake Structure of Alien World's Atmosphere https://web.archive.[...] Hubble News Center 2007-01-31
_[7] 웹사이트 Atmosphere https://education.na[...] 2022-06-09
_[8] 논문 On Atmospheric Loss of Oxygen Ions from Earth Through Magnetospheric Processes http://www.sciencema[...] 2007-03-07
_[9] 논문 Why an intrinsic magnetic field does not protect a planet against atmospheric escape
_[10] 뉴스 Scientists Detected An Incoming Asteroid The Size Of A Car Last Week - Why That Matters To Us https://www.forbes.c[...] 2019-07-26
_[11] 논문 Titan: Interior, surface, atmosphere, and space environment, edited by I. Müller-Wodarg, C. A. Griffith, E. Lellouch, and T. E. Cravens. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2014, 474 p. $135, hardcover 2014
_[12] 논문 Dynamics of Triton's atmosphere 1990
_[13] 서적 学術用語集地学編日本学術振興会
_[14] 문서 대기 및 대기권 설명
_[15] 간행물 고등학교 1학년 과학 교학사 2013-05-20

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