대기과학

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1. 개요
2. 주요 분야
3. 다른 천체의 대기
4. 응용 분야
참조

1. 개요

대기과학은 지구 및 다른 행성의 대기를 연구하는 학문으로, 기상학, 기후학, 대기물리학, 대기화학, 초고층대기물리학 등의 분야를 포함한다. 기상학은 단기적인 기상 현상을, 기후학은 장기적인 기상 패턴을 연구하며, 대기물리학은 물리학적 원리를 대기에 적용한다. 대기화학은 대기 구성과 화학 반응을, 초고층대기물리학은 지구 상층 대기를 연구한다. 대기과학은 기상 예보, 기후 변화 예측, 대기 오염 문제 해결 등 다양한 응용 분야를 가지며, 환경학, 지리학 등과도 밀접한 관련이 있다.

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대기과학 - 기후학
기후학은 대기의 장기간 평균 상태와 변화를 연구하는 학문으로, 기후 변화 연구를 중심으로 과거 기후 복원 및 미래 지구 온난화 연구를 수행하며 다양한 하위 분야로 나뉜다.
대기과학 - 지구의 에너지 수지
지구의 에너지 수지는 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 우주로 방출하는 에너지 간의 균형을 의미하며, 에너지 불균형은 기후 변화를 야기하고 지구 온난화의 중요한 지표가 된다.
유체역학 - 양력
양력은 유체 속에서 물체가 받는 수직 방향의 힘이며, 받음각, 익형, 공기 밀도 등에 따라 달라지며 항공기 날개, 헬리콥터, 선박 프로펠러 등에서 활용된다.
유체역학 - 무인 항공기
무인 항공기는 조종사 없이 자율 또는 원격 조종으로 비행하는 동력 비행체로, 다양한 기준으로 분류되어 군사 및 민간용으로 활용되지만 안전 및 보안 위협, 사이버 공격, 악의적 사용 가능성 등의 문제점도 존재한다.

대기과학
학문 개요
학문 분야	과학
연구 분야	대기 물리학 대기 동역학 대기 화학 기상학 기후학 항공기상학
세부 분야
대기 물리학	대기의 물리적 성질 및 과정 연구
대기 동역학	대기의 운동 및 역학적 과정 연구
대기 화학	대기의 화학적 조성 및 반응 연구
기상학	단기적인 대기 현상 (날씨) 예측 및 연구
기후학	장기적인 대기 현상 (기후) 변화 연구
항공기상학	항공 운항에 영향을 미치는 대기 현상 연구
관련 분야
기상학	날씨 연구
기후학	기후 연구
항공우주학	대기권 연구
지구과학	지구 시스템의 일부로서 대기 연구

2. 주요 분야

대기과학은 여러 하위 분야를 포함하며, 각 분야는 서로 밀접하게 연관되어 있다.

"대기과학"이라는 용어는 기상학의 연구 대상이 확대됨에 따라 만들어진 것으로, "대기과학"과 "기상학" 모두 거의 같은 의미로 사용된다. 최근에는 지구 이외의 천체(행성에 국한되지 않음)의 대기를 연구 대상으로 하는 경우도 있으며, 이 경우 행성과학의 한 분야가 된다.

2. 1. 기상학

기상학은 단기적인 대기 현상과 날씨 변화를 연구하는 학문이다. 대기역학은 여러 위치와 시간대의 관측과 이론을 통합하여 뇌우, 토네이도, 중력파, 열대 저기압, 온대 저기압, 제트 기류 등 기상학적으로 중요한 운동계를 연구한다.^[4] 대기역학의 연구 목표는 물리학의 기본 원리를 바탕으로 관측된 순환을 설명하고, 일기 예보 개선, 계절 및 연간 기후 변동 예측 방법 개발, 인간이 유발한 교란(예: 이산화탄소 농도 증가 또는 오존층 파괴)이 지구 기후에 미치는 영향 등을 이해하는 것이다.^[4]

2. 2. 기후학

기후학은 몇 주 이상 지속되는 기상 시스템의 빈도와 추세를 연구한다. 기상학이 단기적인 날씨 시스템을 연구하는 것과 달리, 기후학은 수년에서 수천 년에 걸친 기상 현상의 주기성과 장기 평균 기상 패턴의 변화를 연구한다. 기후학자는 지역, 국지, 지구 기후의 특성과 기후 변화를 일으키는 자연적 또는 인간이 유발한 요인을 연구한다. 기후학은 과거를 고려하여 미래의 기후 변화 예측에 도움을 줄 수 있다.

기후학에서 관심을 갖는 현상에는 대기 경계층, 순환 패턴, 열전달(복사, 대류, 잠열), 대기와 해양 및 육지 표면(특히 식생, 토지 이용, 지형)의 상호작용, 그리고 대기의 화학적 및 물리적 구성이 포함된다. 관련된 학문 분야로는 천체물리학, 대기 물리학, 화학, 생태학, 자연지리학, 지질학, 지구물리학, 빙하학, 수문학, 해양학, 화산학 등이 있다.

2. 3. 대기물리학

대기 물리학은 물리학을 대기 연구에 적용하는 학문이다. 대기 물리학자들은 유체 흐름 방정식, 화학 모델, 복사 평형 및 대기와 그 아래에 있는 해양 및 육지에서의 에너지 전달 과정을 사용하여 지구 대기와 다른 행성의 대기를 모델링하려고 시도한다.^[4] 기상 시스템을 모델링하기 위해 대기 물리학자들은 산란 이론, 파동 전파 모델, 구름 물리학, 통계 역학 및 공간 통계의 요소들을 사용하며, 이러한 각 요소는 높은 수준의 수학과 물리학을 통합한다. 대기 물리학은 기상학 및 기후학과 밀접한 관련이 있으며, 대기를 연구하기 위한 기기 설계 및 제작과 원격 탐사 기기를 포함한 그 기기들이 제공하는 데이터 해석도 다룬다.^[4]

영국에서는 기상청(The Meteorological Office)이 대기 연구를 지원한다. 미국의 국립해양대기청(NOAA)의 부서는 대기 물리학과 관련된 연구 프로젝트와 기상 모델링을 감독한다. 미국 국립 천문 및 전리층 센터도 고층 대기 연구를 수행한다.^[4]

지구 자기장과 태양풍은 대기와 상호 작용하여 전리층, 밴앨런 방사선대, 지자기 및 복사 에너지를 생성한다.^[4]

2. 4. 대기화학

대기화학은 지구 대기 및 다른 행성의 대기 화학을 연구하는 대기과학의 한 분야이다. 환경 화학, 물리학, 기상학, 컴퓨터 모델링, 해양학, 지질학, 화산학 등 여러 학문 분야를 활용하는 다학제적 연구 분야이며, 기후학과 같은 다른 연구 분야와 점점 더 밀접하게 연결되고 있다.

대기의 구성과 화학은 대기와 생물체 간의 상호 작용 때문에 중요하다. 지구 대기의 구성은 인간 활동에 의해 변화되었으며, 이러한 변화 중 일부는 인간의 건강, 농작물 및 생태계에 해롭다. 대기 화학에서 다뤄지는 문제로는 산성비, 광화학 스모그, 지구 온난화 등이 있다. 대기 화학은 이러한 문제의 원인을 이해하고, 이론적 이해를 바탕으로 가능한 해결책을 테스트하며, 정부 정책 변화의 영향을 평가한다. 특히 대한민국은 중국발 미세먼지와 황사의 영향을 크게 받고 있어 대기화학 분야의 연구가 중요하다.

2. 5. 초고층대기물리학 (Aeronomy)

초고층대기물리학은 지구의 상층 대기(성층권 위의 대기층)와 다른 행성 대기의 해당 영역에 대한 과학적 연구이다. 전체 대기는 지구의 상층 대기 또는 그 일부에 해당할 수 있다. 대기 화학과 대기물리학의 한 분야인 초고층대기물리학은 성층권 아래 대기층에 초점을 맞춘 기상학과 대조된다.^[5] 초고층대기물리학자들이 연구하는 대기 지역에서는 화학적 해리와 이온화가 중요한 현상이다.

3. 다른 천체의 대기

태양계의 모든 행성들은 대기를 가지고 있다. 이는 행성의 중력이 기체 입자들을 표면 가까이에 유지할 만큼 충분히 강하기 때문이다. 더 큰 가스 행성들은 가벼운 기체인 수소와 헬륨을 다량으로 유지할 만큼 질량이 크지만, 작은 행성들은 이러한 기체들을 우주로 잃는다.^[6] 지구 대기의 구성은 다른 행성들과 다른데, 지구상에서 일어났던 다양한 생명 과정들이 자유 분자 산소를 생성했기 때문이다.^[7] 수성의 대기는 대부분 태양풍에 의해 날아가 버렸다.^[8] 밀도 높은 대기를 유지하고 있는 유일한 위성은 타이탄이다. 트리톤에는 얇은 대기가 있고, 달에는 미량의 대기가 존재한다.

행성 대기는 태양이나 행성 내부에서 받는 에너지의 정도에 따라 영향을 받는데, 이로 인해 허리케인(지구), 행성 규모의 먼지 폭풍(화성), 목성에 있는 지구 크기의 반시계 방향 폭풍(대적점), 그리고 대기의 구멍(해왕성)과 같은 역동적인 기상 시스템이 형성된다.^[9] 적어도 하나의 외계 행성인 HD 189733 b는 대적점과 유사하지만 두 배나 큰 기상 시스템을 가지고 있는 것으로 여겨진다.^[10]

뜨거운 목성형 행성들은 혜성의 꼬리와 마찬가지로 항성 복사로 인해 대기가 우주로 손실되는 것으로 나타났다.^[11]^[12] 이러한 행성들은 주야간 온도 차이가 매우 클 수 있으며, 이로 인해 초음속 바람이 발생할 수 있다.^[13] 하지만 HD 189733b의 주간과 야간은 매우 유사한 온도를 보이는데, 이는 해당 행성의 대기가 항성의 에너지를 효과적으로 행성 전체에 재분배함을 나타낸다.^[10]

2021년 10월 아카쓰키(Akatsuki) 궤도선이 촬영한 자외선 영역의 금성 대기의 가색 이미지

최근에는 지구 이외의 천체(행성에 국한되지 않음)의 대기를 연구 대상으로 하는 경우도 있으며, 이 경우 행성과학의 한 분야가 된다.

4. 응용 분야

대기 현상은 지형을 형성하고 자연환경에 직접 작용하기 때문에, 환경학과 지리학은 대기과학과 밀접한 관련이 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Aerology https://www.oed.com/[...] Oxford University Press 2019-12-04
_[2] 웹사이트 Aerology - AMS Glossary http://glossary.amet[...] 2019-09-08
_[3] 서적 Ultraviolet radiation in the solar system https://books.google[...]
_[4] 웹사이트 Atmospheric Dynamics http://www.atmos.was[...] 2007-06-01
_[5] 서적 Aeronomy of the Middle Atmosphere : Chemistry and Physics of the Stratosphere and Mesosphere Springer
_[6] 학술지 An Ultradeep Survey for Irregular Satellites of Uranus: Limits to Completeness
_[7] 서적 Introductory Astronomy & Astrophysics Saunders College Publishing
_[8] 간행물 The Mercury atmosphere University of Arizona Press
_[9] 웹사이트 Weather, Weather, Everywhere? http://solarsystem.n[...] NASA 2006-05-01
_[10] 학술지 A map of the day-night contrast of the extrasolar planet HD 189733b
_[11] 웹사이트 Hubble Probes Layer-cake Structure of Alien World's Atmosphere http://hubblesite.or[...] 2007-01-31
_[12] 학술지 The signature of hot hydrogen in the atmosphere of the extrasolar planet HD 209458b
_[13] 학술지 The phase-dependent infrared brightness of the extrasolar planet Andromeda b