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대기물리학

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목차

1. 개요

대기물리학은 지구 대기의 물리적 현상을 연구하는 학문이다. 원격 탐사, 복사, 구름 물리학, 대기 전기, 대기 조석, 초고층 대기 연구 등 다양한 분야를 포함하며, 항공기, 위성, 레이더 등 다양한 장비를 활용하여 데이터를 수집하고 분석한다. 연구는 기상청, 국립 과학 연구 센터 등 여러 국가의 연구 기관에서 수행된다.

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대기물리학

2. 원격 탐사

원격 탐사(Remote Sensing)는 대상 물체나 현상과 물리적으로 직접 접촉하지 않고 정보를 얻는 기술이다. 주로 항공기, 우주선, 인공위성, 부이, 선박 등에 탑재된 기록 장치나 실시간 감지 장치를 사용하여 소규모 또는 대규모로 정보를 수집한다. 실제적으로 원격 탐사는 특정 지점의 센서만으로는 얻기 어려운, 주어진 대상이나 넓은 지역에 대한 정보를 다양한 장치를 이용해 종합적으로 수집하는 것을 의미한다.[16]

지구 관측 위성이나 기상 위성, 해양 및 대기 관측 기상 부이는 대표적인 원격 탐사 플랫폼이다. 또한 의학 분야에서 활용되는 초음파, 자기 공명 영상(MRI), 양전자 방출 단층 촬영(PET)이나 우주 탐사선을 이용한 행성 탐사 역시 넓은 의미의 원격 탐사 예시이다. 다만 현대적인 용어에서는 주로 항공기나 우주선에 탑재된 이미징 센서 기술을 이용하는 경우를 지칭하며, 의료 영상과 같은 다른 영상 관련 분야와는 구분된다.

2. 1. 원격 탐사의 종류

원격 탐사에는 두 가지 종류가 있다.
수동 원격 탐사는 관측 대상 물체 또는 주변 영역에서 자연적으로 방출되거나 반사되는 방사선을 감지하는 방식이다. 태양에서 반사된 빛은 수동 센서가 측정하는 가장 일반적인 방사선원이다. 수동 원격 센서의 예로는 필름 사진, 적외선 센서, 전하 결합 소자(CCD), 방사계 등이 있다.
능동 원격 탐사는 인공적으로 에너지를 방출하여 대상 물체를 스캔하고, 물체에서 반사되거나 산란되어 돌아오는 에너지를 센서로 감지하고 측정하는 방식이다. 레이더, 라이다(LIDAR), 소다(SODAR)는 대기 물리학에서 사용되는 대표적인 능동 원격 탐사 기술이다. 이러한 기술은 에너지가 방출되고 돌아오는 사이의 시간 차이를 측정하여 물체의 위치, 높이, 속도, 방향 등을 파악할 수 있다.[17]

2. 2. 원격 탐사의 활용

이 1960년 기상 레이더 이미지(허리케인 애비)처럼 밝기가 반사율을 나타낸다. 레이더의 주파수, 펄스 형식, 안테나에 의해 관측할 수 있는 대상이 대부분 결정된다.


원격 탐사는 대상과 직접 접촉하지 않고 정보를 얻는 기술로, 다양한 분야에서 유용하게 활용된다.[1] 특히 사람이 직접 접근하기 어렵거나 위험한 지역의 데이터를 수집하는 데 효과적이다.[3]

원격 탐사의 주요 활용 분야는 다음과 같다.

  • 환경 모니터링: 아마존 분지와 같은 지역의 산림 벌채 현황을 감시하고, 기후 변화가 빙하나 북극 및 남극 지역에 미치는 영향을 지속적으로 관찰하는 데 사용된다. 또한 해안 및 해양의 깊이를 측정(수심 측정)하는 데도 활용된다.[3]
  • 자연 현상 관측 및 기상 예보: 인공위성이나 기상 부이 등 다양한 플랫폼을 통해 전자기 스펙트럼의 여러 영역에서 데이터를 수집하고 전송한다. 이를 통해 엘니뇨와 같은 장단기 자연 현상의 추세를 파악하고 분석할 수 있으며, 기상 관측 및 예보의 정확도를 높이는 데 기여한다.[3] 기상 레이더, 라이다, 소다와 같은 능동 센서는 방출한 에너지의 반사를 측정하여 강수 입자의 위치, 강도, 움직임 등을 파악하고, 뇌우, 허리케인 등의 기상 현상을 추적하는 데 중요한 역할을 한다.[2]
  • 자원 관리 및 토지 이용: 지구 과학 연구의 여러 분야, 특히 천연자원 관리와 농업 분야에서 활발히 이용된다. 토지 이용 현황을 파악하고 변화를 추적하며, 효율적인 자원 관리 및 보전 계획 수립에 필요한 정보를 제공한다.[3]
  • 군사 및 안보: 냉전 시기부터 적대적이거나 접근이 제한된 국경 지역에 대한 정보를 원거리에서 수집하는 데 활용되어 왔다. 현재도 국가 안보 및 감시, 정찰 목적으로 중요한 역할을 수행한다.[3]
  • 효율성: 지상에서 직접 데이터를 수집하는 방식에 비해 시간과 비용을 절약할 수 있다. 또한 조사 과정에서 해당 지역이나 대상에 미치는 영향을 최소화하면서 필요한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다.[3]

3. 복사

대기 물리학에서는 일반적으로 복사를 태양으로부터 오는 태양 복사와 지구 표면 및 대기로부터 방출되는 지구 복사(지상 복사)로 나누어 다룬다. 이 두 종류의 복사는 대기의 온도를 변화시키고 여러 기상 현상을 일으키는 중요한 에너지원이다.

3. 1. 태양 복사

계절에 따른 태양 고도 변화와 입사광 밀도. 태양 고도가 낮을수록 빛이 지구 대기를 통과하는 경로가 길어져 산란 및 흡수가 증가한다.


대기 물리학에서는 일반적으로 복사를 태양에서 방출되는 태양 복사와 지구 표면 및 대기에서 방출되는 지상 복사로 나눈다.

태양 복사는 다양한 파장을 포함하는데, 가시광선은 0.4~0.7 마이크로미터(µm) 사이의 파장을 갖는다.[4][19] 가시광선보다 짧은 파장은 자외선(UV), 더 긴 파장은 적외선(IR) 영역에 해당한다.[5][20] 오존은 약 0.25 마이크로미터(µm) 파장의 자외선 (특히 UV-C)을 효과적으로 흡수하며,[6][21] 이는 성층권의 온도를 높이는 주요 원인이다.

지표면의 종류에 따라 자외선 반사율도 다른데, 눈은 입사된 자외선의 88%를 반사하는 반면, 모래는 12%, 물은 4%만을 반사한다.[6][21] 태양 광선이 대기를 통과하는 각도가 얕을수록(즉, 지표면에 비스듬히 입사할수록), 에너지가 대기에 의해 반사되거나 흡수될 가능성이 커진다.[7][22]

3. 2. 지구 복사

지구 복사는 지구 표면과 대기에서 방출되는 복사 에너지를 의미한다. 지구는 태양보다 온도가 훨씬 낮기 때문에, 지구 복사는 태양 복사에 비해 훨씬 긴 파장으로 방출된다. 플랑크 법칙에 따라 지구는 다양한 파장의 복사를 방출하며, 이 중 에너지가 가장 강하게 나타나는 파장은 약 10μm이다.

4. 구름 물리학

구름 물리학은 구름의 형성, 성장, 그리고 강수로 이어지는 물리적인 과정을 연구하는 학문 분야이다.[8][23]

4. 1. 구름의 형성

구름 물리학은 구름이 만들어지고 성장하여 강수로 이어지는 물리적 과정을 연구하는 학문이다. 구름은 아주 작은 물방울(따뜻한 구름), 작은 얼음 결정, 또는 이 둘이 섞인 상태(혼합상 구름)로 이루어져 있다. 적절한 조건이 갖춰지면 이러한 물방울들이 합쳐져 강수가 만들어지고, 이것이 땅으로 떨어지게 된다.[8][23] 구름이 정확히 어떻게 만들어지고 성장하는지에 대한 모든 과정이 밝혀진 것은 아니지만, 과학자들은 개별 물방울의 미세한 움직임과 물리적 특성을 연구하며 구름의 구조를 설명하는 이론을 발전시키고 있다. 또한, 레이더와 인공위성 기술의 발달 덕분에 넓은 범위에 걸쳐 있는 구름도 정밀하게 관찰하고 연구하는 것이 가능해졌다.

4. 2. 강수 과정

구름은 매우 작은 물방울(온난 구름), 작은 얼음 결정, 또는 이 두 가지가 섞여 있는 상태(혼합상 구름)로 이루어져 있다.[8][23] 이러한 구름 속 물방울이나 얼음 결정이 특정 조건 아래에서 서로 결합하여 충분히 무거워지면, 중력에 의해 지표면으로 떨어지는데 이것이 바로 강수이다.[8][23] 강수 과정은 구름 물리학의 주요 연구 대상 중 하나로, 구름의 형성 및 성장과 밀접하게 연관되어 있다. 구름이 만들어지고 성장하는 정확한 원리는 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 과학자들은 개별 물방울의 미세한 물리적 특성 연구와 함께 레이더 및 인공위성 관측 기술을 활용하여 강수 과정을 포함한 구름의 복잡한 현상을 이해하기 위해 노력하고 있다.

5. 대기 전기

대기 전기는 지구의 대기(또는 더 넓게는 다른 행성의 대기)에서 발생하는 정전기 및 전자기학적 현상을 다루는 분야이다. 대륙의 지표면, 전리층, 그리고 대기는 전 지구 대기 전기 회로로 알려진 거대한 전기 시스템을 이룬다.[9][24] 이 분야에서는 번개와 같은 다양한 대기 전기 현상을 연구한다.

5. 1. 번개

번개는 대기 전기 현상의 일종으로, 구름과 지면 또는 구름과 구름 사이에서 발생하는 강력한 전기 방전이다. 대륙의 지표면, 전리층, 그리고 대기는 전 지구 대기 전기 회로로 알려져 있으며, 번개는 이 회로의 일부로 이해될 수 있다.[9] 번개(낙뢰)는 최대 1억 볼트의 전압으로 30,000 암페어에 달하는 전류를 방전시킨다. 이 과정에서 빛, 전파, X선, 심지어 감마선까지 방출된다.[10] 번개가 발생할 때 형성되는 플라스마의 온도는 약 28,000,000에 이르며, 전자 밀도는 1024/m3을 초과할 수 있다.[11]

5. 2. 전 지구 대기 전기 회로

지표면, 전리층, 그리고 대기는 전 지구 대기 전기 회로(Global atmospheric electrical circuit영어)로 알려져 있다.[9][24] 번개는 이 회로에서 중요한 역할을 하며, 최대 1억 볼트의 전압과 30,000 암페어의 전류를 방전한다.[10][25] 이 과정에서 빛, 전파, X선, 심지어 감마선까지 방출된다.[10][25] 번개의 플라스마 온도는 28,000,000에 육박할 수 있으며, 전자 밀도는 1024/m3을 초과할 수 있다.[11][26]

6. 대기 조석

대기 조석은 태양과 달의 중력, 그리고 태양 복사에 의한 대기의 주기적인 가열 때문에 발생하는 전 지구적 규모의 주기 운동이다.[12][27] 이는 주로 태양의 복사 에너지를 수증기와 오존 등이 흡수하여 대류권과 성층권에서 가열될 때 발생하며, 생성된 파동은 중간권과 열권까지 전파될 수 있다.[13][28] 대기 조석은 해양 조석과 유사한 점도 있지만, 발생 원인(주로 태양 가열)과 고도에 따른 진폭 변화 등에서 뚜렷한 차이를 보인다.[14][29]

6. 1. 대기 조석의 특징

가장 큰 진폭을 갖는 대기 조석은 주로 대류권과 성층권에서 발생한다. 이는 낮 동안 수증기와 오존이 태양 복사를 흡수하면서 대기가 주기적으로 가열되기 때문이다. 이렇게 발생한 조석은 생성된 지역에서 멀리 떨어진 중간권과 열권까지 전파될 수 있다. 대기 조석은 바람, 온도, 밀도, 기압의 규칙적인 변동으로 측정될 수 있으며, 해양 조석과 여러 공통점을 가지지만 다음과 같은 두 가지 주요한 차이점이 있다.

1. 발생 원인과 주기: 대기 조석은 주로 태양에 의한 대기 가열로 발생하여 대부분 24시간의 태양일 주기를 갖는다. 반면, 해양 조석은 주로 달의 중력장에 의해 발생하며, 약 24시간 51분의 태음일(달이 연속적으로 통과하는 시간)과 관련된 더 긴 주기를 갖는다.[12][27]

2. 진폭 변화: 대기 조석은 고도에 따라 밀도가 크게 변하는 대기 중에서 전파된다. 이 때문에 조석이 점차 희박해지는 상층 대기로 상승함에 따라 진폭이 자연스럽게 기하급수적으로 증가한다. 반대로, 해양의 밀도는 깊이에 따라 거의 변하지 않으므로 해양 조석의 진폭은 깊이에 따라 반드시 변하지는 않는다.

비록 태양 가열이 가장 큰 진폭의 대기 조석을 유발하지만, 태양과 달의 중력장 역시 대기에서 조석을 발생시킨다. 특히 달의 중력에 의한 대기 조석 효과는 태양의 중력 효과보다 훨씬 크다.[13][28]

지표면에서는 대기 조석을 24시간 및 12시간 주기의 규칙적이지만 작은 지표 기압 변동으로 감지할 수 있다. 일일 기압 최대값은 현지 시간 기준으로 오전 10시와 오후 10시에 나타나며, 최소값은 오전 4시와 오후 4시에 나타난다. 절대적인 기압 최대값은 오전 10시에, 절대적인 최소값은 오후 4시에 발생한다.[14][29] 그러나 고도가 높아지면 조석의 진폭은 매우 커질 수 있다. 중간권(고도 약 50km ~ 100km)에서는 대기 조석의 진폭이 50 m/s 이상에 도달할 수 있으며, 종종 해당 고도 대기 운동의 가장 중요한 부분을 차지한다.

6. 2. 대기 조석의 영향

대기 조석은 바람, 온도, 밀도, 기압 등의 규칙적인 변동으로 나타나는 현상이다. 가장 큰 진폭의 대기 조석은 주로 대류권과 성층권에서 발생하는데, 이는 낮 동안 수증기와 오존이 태양 복사를 흡수하면서 대기가 주기적으로 가열되기 때문이다. 이렇게 생성된 조석은 발생 지역에서 멀리 떨어진 중간권과 열권까지 전파될 수 있다.

대기 조석은 해양 조석과 여러 공통점을 가지지만, 다음과 같은 두 가지 주요한 차이점이 있다.

1. 발생 원인과 주기: 대기 조석은 주로 태양에 의한 대기 가열로 발생하여 태양일(24시간)과 관련된 주기를 갖는다. 반면, 해양 조석은 주로 달의 중력장에 의해 발생하며, 태음일(약 24시간 51분)과 관련된 더 긴 주기를 가진다.[12][27] (참고로, 태양 가열이 가장 큰 영향을 주지만, 태양과 달의 중력장 또한 대기 조석을 일으키며, 달의 중력에 의한 효과가 태양보다 더 크다.[13][28])

2. 진폭 변화: 대기 조석은 고도에 따라 밀도가 크게 변하는 대기 중에서 전파된다. 이 때문에 조석파가 점차 희박해지는 상층 대기로 상승함에 따라 그 진폭이 자연스럽게 지수적으로 증가한다. 반면, 해양의 밀도는 깊이에 따라 큰 변화가 없으므로 해양 조석의 진폭은 깊이에 따라 반드시 변하지는 않는다.

지표면에서 대기 조석은 24시간 및 12시간 주기의 작지만 규칙적인 기압 변화로 감지될 수 있다. 일반적으로 현지 시각 오전 10시와 오후 10시에 기압이 가장 높고, 오전 4시와 오후 4시에 가장 낮다.[14][29] 그러나 고도가 높아지면 대기 조석의 영향력은 매우 커진다. 특히 중간권(고도 약 50km ~ 100km)에서는 대기 조석으로 인한 바람의 진폭이 50 m/s를 넘을 수 있으며, 이 고도에서는 대기 전체 운동에서 가장 중요한 부분을 차지하기도 한다.

7. 초고층 대기 연구

'''대기권과학'''(aeronomyeng)은 해리와 이온화 과정이 중요하게 작용하는 대기의 상층 영역을 연구하는 학문 분야이다.[15] 이 용어는 1960년 시드니 채프먼(Sydney Chapman)에 의해 처음 제안되었으며,[15] 오늘날에는 지구뿐만 아니라 다른 행성의 대기 상층부 연구까지 포괄하는 의미로 확장되었다. 이 분야는 대기 상층에서 일어나는 다양한 물리적, 화학적 현상과 그 상호작용을 탐구한다.

7. 1. 연구 대상

상층 대기 번개 및 전기 방전 현상 표현


대기물리학의 한 분야인 '''대기권과학'''(aeronomyeng)은 해리 및 이온화가 중요한 대기 상층 영역을 연구하는 학문이다. 이 용어는 1960년 시드니 채프먼(Sydney Chapman)에 의해 처음 사용되었으며[15], 오늘날에는 지구뿐만 아니라 다른 행성의 대기 상층 영역 연구까지 포함하는 넓은 의미로 쓰인다.

대기권과학에서 주로 연구하는 대상은 다음과 같다.

  • 대기 조석: 하층 대기와 상층 대기 간의 상호작용에 중요한 역할을 하는 현상이다.
  • 상층 대기 번개: 레드 스프라이트, 스프라이트 헤일로, 블루 제트, 엘프 등 대기 상층에서 발생하는 다양한 발광 및 방전 현상을 포함한다.


이러한 연구를 위해서는 고층 기구, 인공위성, 사운딩 로켓(관측 로켓) 등을 이용하여 대기 상층 영역에 대한 데이터를 수집하는 과정이 필수적이다.

7. 2. 연구 방법

대기물리학 연구는 대기 상층 영역에 대한 귀중한 데이터를 얻기 위해 고층 기구, 위성, 관측 로켓 등을 활용한다.

8. 연구 기관

영국, 미국, 벨기에, 프랑스 등 여러 국가의 기상청, 국립 연구소, 대학 부설 연구소 등 다양한 기관에서 대기물리학 연구를 수행하고 있다. 각국의 주요 연구 기관 및 활동에 대한 자세한 내용은 하위 문단을 참고할 수 있다.

8. 1. 한국

(내용 없음)

8. 2. 외국

영국에서는 기상청( Met Officeeng ), 자연 환경 연구 위원회( Natural Environment Research Councileng ), 과학 기술 시설 위원회( Science and Technology Facilities Councileng )가 대기 연구를 지원한다. 미국에서는 미국 해양대기청( National Oceanic and Atmospheric Administration|NOAAeng )의 여러 부서가 대기 물리학 연구 프로젝트와 날씨 모델링을 감독하며, 아레시보 천문대( National Astronomy and Ionosphere Centereng )는 고층 대기 연구를 수행한다. 벨기에에서는 벨기에 우주 항공 연구소( Belgian Institute for Space Aeronomyeng )가 대기와 우주 공간을 연구한다. 프랑스에는 메테오-프랑스( Météo-Francefra )를 비롯하여, 국립 과학 연구 센터 산하의 피에르 시몽 라플라스 연구소( Institut Pierre Simon Laplace|IPSLfra ) 그룹 소속 연구소 등 여러 공공 및 민간 기관이 기상 연구를 수행하고 있다.

참조

[1] 웹사이트 Remote Sensing. http://www.comet.uca[...] University Corporation for Atmospheric Research 2009-04-23
[2] 웹사이트 Radar. http://amsglossary.a[...] American Meteorological Society 2009-04-23
[3] 웹사이트 Earth. http://hurricanes.na[...] NASA 2009-02-18
[4] 웹사이트 What Wavelength Goes With a Color? http://science-edu.l[...] Atmospheric Science Data Center 2008-04-15
[5] 웹사이트 Solar Energy in Earth's Atmosphere. http://www.windows.u[...] Windows to the Universe 2008-04-15
[6] 웹사이트 Geog 474: Energy Interactions with the Atmosphere and at the Surface. http://www.udel.edu/[...] University of Delaware 2008-04-15
[7] 웹사이트 Exploring the Environment: UV Menace. http://www.cet.edu/e[...] Wheeling Jesuit University 2007-06-01
[8] 웹사이트 CLOUD PHYSICS. http://www.evac.ou.e[...] Oklahoma Weather Modification Demonstration Program 2008-04-15
[9] 웹사이트 Lightning Detection From Space: A Lightning Primer. http://thunder.msfc.[...] Dr. Hugh J. Christian and Melanie A. McCook 2008-04-17
[10] 웹사이트 Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning. http://www.nasa.gov/[...] NASA 2007-06-01
[11] 웹사이트 Lightning! Sound and Fury. http://fusedweb.llnl[...] Fusion Energy Education 2008-04-17
[12] 웹사이트 Atmospheric Tide. http://amsglossary.a[...] Glossary of Meteorology 2008-04-15
[13] 웹사이트 Does the Moon have a tidal effect on the atmosphere as well as the oceans?. http://www.sciam.com[...] Scientific American 2008-07-08
[14] 웹사이트 Tidal Observations. http://mysite.du.edu[...] Dr James B. Calvert 2008-04-15
[15] 서적 Comparative Aeronomy Springer 2008
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[29] 웹사이트 Tidal Observations. http://mysite.du.edu[...] Dr James B. Calvert 2008-04-15
[30] 서적 Comparative Aeronomy Springer 2008


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