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중간권

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목차

1. 개요

중간권은 지구 대기의 층 중 하나로, 고도가 높아짐에 따라 온도가 감소하는 특징을 보인다. 중간권은 성층권과 열권 사이, 지표면으로부터 약 80km 지점에 위치하며, 유성이 타오르고 야광운이 나타나는 곳이다. 이 지역은 강한 동서풍, 대기 조석, 중력파, 행성파 등의 역학적 특징을 가지며, 특히 중력파는 대기 순환에 큰 영향을 미친다. 또한, 나트륨 층과 같은 금속 층이 존재하며, 오로라의 일종인 '사구' 현상도 관측된다. 중간권은 사운딩 로켓을 통해서만 접근 가능하여 연구가 제한적이며, 항공기, 기구, 우주선의 고도와 관련이 있다.

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중간권
개요
위치성층권 위, 열권 아래
고도 범위에서 사이
특징대기 중에서 가장 추운 곳; 유성체가 타는 곳
상세 정보
정의성층권과 열권 사이의 대기층
온도고도가 높아질수록 감소, 최저 까지
대기 현상중간권에서는 중간권 구름과 같은 특이한 구름이 형성되기도 함
중요성대기과학 연구에서 중요한 영역
기타유성체가 타면서 별똥별 현상이 나타나는 곳

2. 온도 및 특징

중간권에서는 고도가 올라감에 따라 기온이 감소한다. 위도와 계절에 따라 다르지만, 상부 중간권의 온도는 약 200켈빈(-73°C) 정도이다. 하루에도 수백만 개의 유성이 중간권의 입자와 마찰하여 타오르는데, 이때 발생하는 열은 대부분의 유성이 지표면에 닿기 전에 완전히 태워버릴 정도로 충분하다.[7]

중간권계면은 지표면으로부터 약 80km 정도에 있으며, 중간권과 열권을 구분하는 경계이다. 중간권 내에서는 고도가 높아질수록 오존 농도가 감소하여 대기가 희박해지고, 이에 따라 태양 복사 흡수가 줄어들어 온도가 낮아진다. 또한, 이산화 탄소(CO2)의 복사 방출에 의한 냉각 효과도 증가한다.[8] 중간권계면은 지구 대기에서 가장 추운 부분으로,[9] 위도와 계절에 따라 약 -100°C까지 내려간다.

대류권 (주황색), 성층권 (파란색) 및 대기권 재진입이 시작되는 '''중간권''' (어두운색)의 잔광. 우주선 재진입과 같이 연기 궤적을 남기기도 한다.

2. 1. 역학적 특징

이 영역의 가장 중요한 특징은 강한 조날(동서) 바람, 대기 조석, 내부 대기 중력파(일반적으로 "중력파"라고 함) 및 행성파이다. 이러한 조석과 파동의 대부분은 대류권과 하부 성층권에서 시작되어 중간권으로 전파된다. 중간권에서 중력파의 진폭은 매우 커져서 파동이 불안정해지고 소산될 수 있다. 이 소산은 중간권에 운동량을 전달하고 전반적인 대기 순환을 크게 촉진한다.[10]

야광운은 중간권에 위치한다. 상부 중간권은 또한 이온층의 ''D층''으로 알려진 지역이며, Lyman 계열-알파 수소 복사로 질산화물이 이온화되면서 낮에만 존재한다. 이온화는 매우 약해서 밤이 되면 이온화의 원천이 제거되고, 자유 전자와 이온은 다시 중성 분자로 형성된다.

80km 에서 105km 사이에는 5km 깊이의 나트륨 층이 존재한다. 비결합, 비이온화된 나트륨 원자로 구성된 나트륨 층은 약하게 복사하여 에어글로우에 기여한다. 나트륨은 입방 센티미터당 평균 400,000개의 원자를 가지고 있다. 이 층은 들어오는 유성에서 승화되는 나트륨에 의해 정기적으로 보충된다. 천문학자들은 이 나트륨 층을 사용하여 초선명 지상 관측을 생성하는 데 사용되는 적응 광학 보정 프로세스의 일부로 "유도 별"을 만들기 시작했다.[10] 철 및 칼륨과 같은 다른 금속 층도 상부 중간권/하부 열권 지역에 존재한다.

2018년 10월부터,[11] 중간권에서 발생하는 뚜렷한 유형의 오로라가 확인되었다. 해변의 모래 물결과 유사하여 '사구'라고 불리는 이 녹색 파동 빛은 적도를 향해 확장된다. 이것들은 지표면에서 약 96km 위에 위치하는 것으로 확인되었다. 오로라는 초고속 태양 입자가 대기 분자와 상호 작용하여 발생하므로, 이 사구의 녹색은 태양 입자와 산소 분자의 상호 작용으로 잠정적으로 설명되었다. 따라서 사구는 중간권 산소가 더 농축된 곳에서 발생한다.[12]

수백만 개의 유성이 지구 대기에 진입하며, 연간 평균 40,000톤이다.[13] 유성 연기라고 하는 침식 물질은 야광운의 응결 핵으로 작용하는 것으로 생각된다.

중간권 아래의 성층권에서는 기온이 고도와 함께 증가하는 반면, 중간권에서는 대류권과 마찬가지로 고도(기압)에 비례하여 기온이 감소한다.[22] 성층권 계면에서는 오존 농도가 높기 때문에 오존이 자외선을 흡수하여 평균 약 -2.5℃, 높을 때는 0℃ 전후인 반면, 고도와 함께 오존 농도가 감소하고, 중간권 계면에서는 평균 약 -92.5℃의 저온이다. 따라서 중간권 계면 부근은 통상 대기의 연직 구조 내에서 가장 저온인 부분이 된다. 이렇게 보면 중간권에서도 대류권과 같은 대류가 일어나는 것이 아닌가 생각할 수도 있지만, 중간권에서의 평균적인 기온 감률은 대류권보다 작고, 대류가 다소 보이더라도 비교적 안정된 상태가 많아 고기압·저기압의 발생은 보이지 않는다. 중간권에서는 대기 밀도가 매우 낮기 때문에, 이 부근에서의 열 구조는 주로 산소 분자가 태양으로부터의 자외선을 흡수하여 대기를 가열하는 것과, 이산화 탄소가 적외선을 방출하는 것에 의한 냉각의 양자의 균형에 의해 결정된다.

중간권에서는 겨울보다 여름이 더 온도가 낮은 상태에 있다. 이것은 동절기에 대기 하층으로부터의 열이 대규모 파동에 의해 활발하게 수송되기 때문이다. 따라서, 하절기에는 중간권 계면에서는 -100℃ 이하가 되므로, 야광운이라는 특수한 얇은 구름이 관측되기도 한다. 중간권 계면 부근에서 위로는 대기에 포함된 원자·분자가 태양으로부터의 자외선에 의해 전리되어 자유 전자가 증가한다. 이러한 대기가 전리하고 있는 층을 전리층이라고 하며, 이 최하층에 해당하는 D층은 중간권 계면 부근에 위치하며 중간권 상층은 전자 밀도가 비교적 많은 상태가 된다.

중간권에서 고·저기압의 발생은 없다고 앞에서 말했지만, 중간권에서는 대기 밀도가 매우 작기 때문에, 하층으로부터 플래니터리 파 등의 장주기 파동이 상방 전파될 때, 교란의 진폭이 상대적으로 커진다. 이러한 파동 현상에 의해, 진폭이 극단적으로 큰 장소에서는 역학적으로 불안정해지는 부분도 있다. 또한, 이 파동 현상은 부근의 대기 대순환에 큰 영향을 주고 있는 것으로 보인다.

또한 규모가 큰 분화가 일어났을 경우, 화산 분출물이 중간권까지 들어가는 것이 알려져 있다. 과거 소련이 행한 차르 봄바에 의한 핵실험에서는, 버섯 구름이 고도 60km의 중간권에까지 도달했다.

2. 2. 기타 현상

이 영역의 주요 특징은 강한 동서 방향 바람, 대기 조석, 내부 대기 중력파(일반적으로 "중력파"라고 함), 행성파이다. 이러한 조석과 파동의 대부분은 대류권과 하부 성층권에서 시작되어 중간권으로 전파된다. 중간권에서 중력파의 진폭은 매우 커져서 파동이 불안정해지고 소산될 수 있다. 이 소산은 중간권에 운동량을 전달하고 전반적인 대기 순환을 크게 촉진한다.

야광운은 중간권에 위치한다. 상부 중간권은 또한 이온층의 ''D층''으로 알려진 지역이며, Lyman 계열-알파 수소 복사로 질산화물이 이온화되면서 낮에만 존재한다. 이온화는 매우 약해서 밤이 되면 이온화의 원천이 제거되고, 자유 전자와 이온은 다시 중성 분자로 형성된다.[10]

5km 깊이의 나트륨 층은 80km에서 105km 사이에 위치한다. 비결합, 비이온화된 나트륨 원자로 구성된 나트륨 층은 약하게 복사하여 에어글로우에 기여한다. 나트륨은 입방 센티미터당 평균 400,000개의 원자를 가지고 있다. 이 층은 들어오는 유성에서 승화되는 나트륨에 의해 정기적으로 보충된다. 천문학자들은 이 나트륨 층을 사용하여 초선명 지상 관측을 생성하는 데 사용되는 적응 광학 보정 프로세스의 일부로 "유도 별"을 만들기 시작했다. 철 및 칼륨과 같은 다른 금속 층도 상부 중간권/하부 열권 지역에 존재한다.

2018년 10월부터,[11] 중간권에서 발생하는 뚜렷한 유형의 오로라가 확인되었다. 해변의 모래 물결과 유사하여 '사구'라고 불리는 이 녹색 파동 빛은 적도를 향해 확장된다. 이것들은 지표면에서 약 96km 위에 위치하는 것으로 확인되었다. 오로라는 초고속 태양 입자가 대기 분자와 상호 작용하여 발생하므로, 이 사구의 녹색은 태양 입자와 산소 분자의 상호 작용으로 잠정적으로 설명되었다. 따라서 사구는 중간권 산소가 더 농축된 곳에서 발생한다.[12]

수백만 개의 유성이 지구 대기에 진입하며, 연간 평균 40,000톤이다.[13] 유성 연기라고 하는 침식 물질은 야광운의 응결 핵으로 작용하는 것으로 생각된다.

국제 우주 정거장에 탑승한 우주 비행사가 지평선에서 번개가 중간권으로 뻗어나가는 것을 관찰하고, 에어글로우 바로 아래에서 붉은 스프라이트(번개)가 발생한다.


야광운 (약간 더 높은 곳의 에어글로우와 혼동하지 말 것)이 중간권의 상단 가장자리에 나타난다.

  • 에어글로우
  • 대기 조석
  • 전리층
  • 유성
  • 야광운
  • 극광
  • 스프라이트(번개)
  • 상층 대기 번개 (과도 발광 현상)


성층권에서는 기온이 고도와 함께 증가하는 데 반해, 중간권에서는 대류권과 마찬가지로 고도(기압)에 비례하여 기온이 감소한다.[22] 오존 농도가 높은 성층권 계면에서는 오존이 자외선을 흡수하여 평균 약 -2.5℃, 높을 때는 0℃ 전후인 반면, 고도와 함께 오존 농도가 감소하고, 중간권 계면에서는 평균 약 -92.5℃의 저온이다. 따라서 중간권 계면 부근은 통상 대기의 연직 구조 내에서 가장 저온인 부분이 된다. 이렇게 보면 중간권에서도 대류권과 같은 대류가 일어나는 것이 아닌가 생각할 수도 있지만, 중간권에서의 평균적인 기온 감률은 대류권보다 작고, 대류가 다소 보이더라도 비교적 안정된 상태가 많아 고기압·저기압의 발생은 보이지 않는다. 중간권에서는 대기 밀도가 매우 낮기 때문에, 이 부근에서의 열 구조는 주로 산소 분자가 태양으로부터의 자외선을 흡수하여 대기를 가열하는 것과, 이산화 탄소가 적외선을 방출하는 것에 의한 냉각의 양자의 균형에 의해 결정된다.

중간권에서는 겨울보다 여름이 더 온도가 낮은 상태에 있다. 이것은 동절기에 대기 하층으로부터의 열이 대규모 파동에 의해 활발하게 수송되기 때문이다. 따라서, 하절기에는 중간권 계면에서는 -100℃ 이하가 되므로, 야광운이라는 특수한 얇은 구름이 관측되기도 한다. 중간권 계면 부근에서 위로는 대기에 포함된 원자·분자가 태양으로부터의 자외선에 의해 전리되어 자유 전자가 증가한다. 이러한 대기가 전리하고 있는 층을 전리층이라고 하며, 이 최하층에 해당하는 D층은 중간권 계면 부근에 위치하며 중간권 상층은 전자 밀도가 비교적 많은 상태가 된다.

중간권에서 고·저기압의 발생은 없다고 앞에서 말했지만, 중간권에서는 대기 밀도가 매우 작기 때문에, 하층으로부터 플래니터리 파 등의 장주기 파동이 상방 전파될 때, 교란의 진폭이 상대적으로 커진다. 이러한 파동 현상에 의해, 진폭이 극단적으로 큰 장소에서는 역학적으로 불안정해지는 부분도 있다. 또한, 이 파동 현상은 부근의 대기 대순환에 큰 영향을 주고 있는 것으로 보인다.

또한 규모가 큰 분화가 일어났을 경우, 화산 분출물이 중간권까지 들어가는 것이 알려져 있다.

3. 추가 정보

중간권은 항공기의 고도 기록보다 위에 있으며,[14] 기구가 도달할 수 있는 고도는 가장 낮은 몇 킬로미터에 불과하고, 고도 기록은 53km이다.[15] 한편, 중간권은 높은 대기 항력으로 인해 지구 중심 궤도 우주선의 최소 고도보다 낮다.[16][17][18] 중간권은 사운딩 로켓을 통해서만 접근할 수 있는데, 사운딩 로켓은 임무당 몇 분 동안만 중간권 측정을 수행할 수 있다.[19] 그 결과, 중간권은 대기 중 가장 이해도가 낮은 부분이며, 이로 인해 "무지권"이라는 우스꽝스러운 별명이 붙었다.[20][21]

이 잘 이해되지 않는 층 내에서 적색 스프라이트 및 청색 제트 (하부 중간권 내의 방전 또는 번개), 야광운, 그리고 밀도 전단의 존재는 현재 과학적 관심사이다.

2003년 2월 1일, 컬럼비아 우주왕복선은 재진입 중 약 62km 고도인 하부 중간권에서 붕괴되어 승무원 7명 전원이 사망했다.

규모가 큰 분화가 일어났을 경우, 화산 분출물이 중간권까지 들어가는 것이 알려져 있다(2022년 훙가 통가 분화 등). 과거 소련이 행한 차르 봄바에 의한 핵실험에서는, 버섯 구름이 고도 60km의 중간권에까지 도달했다.

참조

[1] 웹사이트 mesosphere
[2] 웹사이트 Middle atmosphere http://www.antarctic[...] 2018-06-17
[3] 간행물 Tropical mesopause: Is it always close to 100 km? 2010-03-25
[4] 웹사이트 The Mesosphere - overview https://scied.ucar.e[...] University Corporation for Atmospheric Research|UCAR Center for Science Education 2018-06-17
[5] 간행물 The mesopause altitude: Only two distinctive levels worldwide? 1996-11-01
[6] 웹사이트 Middle Atmosphere Meteorology https://atmos.washin[...] University of Washington 2018-12-19
[7] 웹사이트 Photochemistry of Ozone https://slideplayer.[...]
[8] 문서 mesosphere
[9] 웹사이트 Mesosphere (Wayback Machine Archive) http://www.ace.mmu.a[...] Atmosphere, Climate & Environment Information ProgGFKDamme (UK Department for Environment, Food and Rural Affairs) 2011-11-14
[10] 웹사이트 Martin Enderlein et al., ESO's Very Large Telescope sees four times first light, Laser Focus World, July 2016, pp. 22-24 http://www.laserfocu[...] 2016-07-11
[11] 문서
[12] 웹사이트 Wu, Katherine J. A New Type of Aurora Ripples Across the Sky in Horizontal Green "Dunes". Smithsonian Magazine (29 January 2020) https://www.smithson[...]
[13] 서적 Interplanetary Dust Springer-Verlag 1990
[14] 웹사이트 Powered Aeroplanes World Records http://www.fai.org/f[...] Fédération Aéronautique Internationale 2016-08-31
[15] 웹사이트 Research on Balloon to Float over 50 km Altitude http://www.isas.jaxa[...] Institute of Space and Astronautical Science, JAXA 2011-09-29
[16] 웹사이트 IADC Space Debris Mitigation Guidelines http://www.iadc-onli[...] Inter-Agency Space Debris Coordination Committee 2002-10-15
[17] 웹사이트 NASA Safety Standard 1740.14, Guidelines and Assessment Procedures for Limiting Orbital Debris http://www.orbitalde[...] Office of Safety and Mission Assurance 1995-08-01
[18] 웹사이트 100 km Altitude Boundary for Astronautics http://nccur.lib.ncc[...] Fédération Aéronautique Internationale
[19] 웹사이트 NASA Sounding Rocket Program Overview http://rscience.gsfc[...] NASA 2006-07-24
[20] 웹사이트 Reusable Rockets Set to Explore the 'Ignorosphere' https://www.discover[...] Discover Magazine 2016-09-01
[21] 웹사이트 Upper atmosphere may hold clues in Columbia mystery http://usatoday30.us[...] 2003-02-06
[22] 웹사이트 초고층대기　이과년표오피셜사이트 https://official.rik[...]
[23] 웹사이트 시네마스페셜『사일런트・월드2011 지구빙결』마이너스70℃사의 빙무습래！ http://www.bs-j.co.j[...] 2018-03-21


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