대류권

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1. 개요
2. 구조
3. 대기 순환
참조

1. 개요

대류권은 지구 대기의 가장 낮은 층으로, 지표면에서 시작하여 열대 지방에서는 약 16~18km, 극지방에서는 10km 이내까지이며, 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 대류권은 "돌리다" 또는 "섞다"라는 뜻의 그리스어에서 유래했으며, 끊임없이 움직이는 특징을 보인다. 이 층은 6개의 셀로 나뉘어 대기 순환을 일으키고 탁월풍을 유발하며, 질소와 산소가 주요 구성 가스이다. 대류권에서는 고도가 높아짐에 따라 온도가 급격히 감소하며, 대류권계면에서 성층권과 경계를 이룬다. 대류권 내부는 접지경계층, 엑만 경계층, 자유대기로 구분되며, 대기 순환과 기상 현상에 중요한 역할을 한다.

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대류권
개요
대류권의 단면도. 고도가 높아질수록 온도가 감소하는 것을 보여준다.
설명	대류권은 지구의 대기에서 가장 낮은 층이며, 지구 표면과 직접 접촉하고 있다.
특징
높이	극지방: 약 6 km (20,000 ft) 중위도: 약 13 km (43,000 ft) 적도: 약 18 km (59,000 ft)
질량	대기 전체 질량의 약 4/5를 차지함.
온도	고도가 높아질수록 감소함.
주요 현상	대부분의 기상 현상이 발생함.
공기 혼합	활발한 대류 활동으로 인해 공기가 잘 혼합됨.
구름	대부분의 구름이 존재함.
상세 정보
어원	'tropos (변화)'와 'sphere (영역)'의 합성어.
정의	대기의 가장 낮은 층. 지표면에서 시작하여 높이에 따라 온도가 감소하는 영역.
상위 층	성층권
경계면	대류권계면
역할	지구의 열에너지를 재분배함. 수증기를 포함하여 날씨에 중요한 역할 수행.
기온 감률	평균적으로 고도 1km당 6.5 °C 감소함.
특이 사항	제트 기류가 대류권 상부에서 발생함. 대류권의 높이는 위도와 계절에 따라 변동함.
참고
관련 용어	기상학, 대기 과학

2. 구조

대류권은 지표면(0km)에서 시작하며, 약 11km까지이다. 열대지방의 경우는 고도 16-18 km 까지이고, 극지방에서는 감소해서 10 km 이내이기도 하다. 이 층은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다. 대류권의 위 층은 성층권이다.

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.

대류권을 나타내는 영어인 ''troposphere''는 "돌리다", "섞다"를 나타내는 그리스어인 ''tropos''로부터 유래하였다. 이 말대로, 대류권은 끊임없이 움직이고 있다. 대류권에서 중요한 가스로는 질소 및 산소가 있다.

고도에 따른 온도변화는 다른 어떤 대기권보다도 심하다. 중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 한다.

대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 내려간다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하강한다.

대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다. 대류권계면 위쪽으로는 고도 50km에 이르도록 온도가 서서히 상승한다. 대류권을 지나는 동안 비행기가 높이 뜨면 뜰수록 안내판의 기온은 섭씨건 화씨건 모두 낮아져서 최상부에 이르면 국내선 비행기는 -17도, 국제선 비행기는 -50 °C까지 내려간다.

2. 1. 구성

대류권은 지표면(0km)에서 시작하며, 약 11km까지이다. 열대지방의 경우는 고도 16-18 km 까지이고, 극지방에서는 감소해서 10 km 이내이기도 하다. 이 층은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다. 대류권의 위 층은 성층권이다.

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.

대류권을 나타내는 영어인 ''troposphere''는 "돌리다", "섞다"를 나타내는 그리스어인 ''tropos''로부터 유래하였다. 이 말대로, 대류권은 끊임없이 움직이고 있다. 대류권에서 중요한 가스로는 질소 및 산소가 있다.

고도에 따른 온도변화는 다른 어떤 대기권보다도 심하다. 중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 한다.

대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 내려간다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하강한다.

대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다. 대류권계면 위쪽으로는 고도 50km에 이르도록 온도가 서서히 상승한다. 대류권을 지나는 동안 비행기가 높이 뜨면 뜰수록 안내판의 기온은 섭씨건 화씨건 모두 낮아져서 최상부에 이르면 국내선 비행기는 -17도, 국제선 비행기는 -50 °C까지 내려간다.

지구의 대기는 다른 기체들 외에도 수증기와 이산화탄소를 포함하고 있으며, 이들은 빗물에서 탄산을 생성하여 자연적인 pH가 약 5.0~5.5(약산성) 정도가 된다. 대기 중 수증기는 (질량으로는 아니지만) 현탁된 기체들을 포함하고 있는데, 78.08%는 N₂ 형태의 질소, 20.95%는 O₂ 형태의 산소, 0.93%는 아르곤, 미량 기체, 그리고 응축되는 수분(포화 수증기에서 유래)이 가변적인 양으로 포함되어 있다. 가압된 원천에서 대기로 방출되는 이산화탄소는 탄산 수증기와 결합하여 대기의 pH를 무시할 만한 정도로 일시적으로 낮춘다. 동물의 호흡은 평형 상태가 아닌 탄산과 낮은 수준의 다른 이온을 방출한다. 탄화수소의 연소는 화학 반응이 아니며, 포화, 응축, 증기 또는 기체(보이지 않는 수증기) 상태로 대기 중에 탄산수를 방출한다. 연소는 입자상 물질(탄소/그을음 및 재)뿐만 아니라 아질산염과 아황산염을 형성하는 분자도 방출하여 대기 중 수분의 pH를 약간 또는 산업 지역에서는 심각하게 낮추어 산성비 현상을 일으킬 수 있으며, 이는 자연적인 pH 5.56보다 낮은 pH를 나타낸다. 대기 중 수증기로 방출되는 연소 부산물의 부정적인 영향은 스크러버 타워 및 기타 물리적 방법을 사용하여 제거할 수 있으며, 포집된 오염 물질은 귀중한 부산물로 처리될 수 있다. 대기 중 수증기의 근원은 물체(대양, 바다, 호수, 강, 늪)와 지표면의 식물이며, 각각 증발과 증산 과정을 통해 대류권을 습윤하게 하여 기상 현상에 영향을 미친다. 가장 많은 양의 수증기는 지구 표면에 가장 가까운 대기에 존재한다. 대류권의 온도는 고도가 높아짐에 따라 온도 역전층을 통해 감소하는데, 이는 대류권과 성층권을 구분하는 대기 경계인 대류권계면에서 발생한다. 고도가 높아짐에 따라 낮은 기온은 결과적으로 포화 수증기압을 감소시켜 상층 대류권의 대기 중 수증기량을 감소시킨다.

2. 2. 압력

대류권의 최대 기압(대기의 무게)은 해수면에서 가장 높고 고도가 높아짐에 따라 감소하는데, 이는 대기가 정수압 평형 상태에 있기 때문이다.^[3] 정수압 평형 상태에서는 기압이 행성 표면의 특정 지점 위에 있는 공기의 무게와 같다.^[3] 감소하는 기압과 높은 고도의 관계는 다음과 같은 정수압 방정식을 통해 유체의 밀도와 관련될 수 있다.^[3]

:

\frac{dP}{dz} = -\rho g_n = - \frac {mPg_n}{RT}

여기서:^[3]

''g_n''는 표준 중력^[3]
''ρ''는 밀도^[3]
''z''는 고도^[3]
''P''는 압력^[3]
''R''는 기체 상수^[3]
''T''는 열역학적(절대) 온도^[3]
''m''는 몰 질량^[3]

2. 3. 온도

대류권은 지표면(0km)에서 시작하며, 약 11km까지이다. 열대지방의 경우는 고도 16-18 km 까지이고, 극지방에서는 감소해서 10 km 이내이기도 하다. 이 층은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다. 대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다.

중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 한다.

대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 내려간다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하강한다.

대류권의 온도는 고도가 높아짐에 따라 감소하며, 기온 감소율은 환경 감률(-dT/dz)로 측정된다. 환경 감률은 지표면의 온도와 대류권계면의 온도 차이를 고도로 나눈 값이다.

'''환경 감률 (ELR)'''
고도 영역	감률	감률
(m)	(°C / km)	(°F / 1000 ft)
0.0 – 11,000	6.50	3.57

대류권의 한 가지 특징은 수직 방향의 기온 감률(기온이 저하되는 비율)이 크다는 것이다. 즉, 고도가 높아짐에 따라 기온이 현저하게 저하된다. 평균적인 기온 감률은 100m당 약 0.65℃인 것으로 알려져 있다.

가열된 공기 덩어리가 상승하면 주변의 압력이 저하되어 단열 팽창함으로써 기온이 크게 저하된다(보일-샤를의 법칙).

하지만 대류권의 대기에는 다량의 수증기가 포함되어 있어 단열 팽창에 의한 온도 저하를 완화하는 효과가 있다.

2. 3. 1. 고도

대류권은 지표면(0km)에서 시작하며, 약 11km까지이다. 열대지방의 경우는 고도 16-18 km 까지이고, 극지방에서는 감소해서 10 km 이내이기도 하다. 이 층은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다. 대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다.

중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 한다.

대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 내려간다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하강한다.

대류권의 온도는 고도가 높아짐에 따라 감소하며, 기온 감소율은 환경 감률(-dT/dz)로 측정됩니다. 환경 감률은 지표면의 온도와 대류권계면의 온도 차이를 고도로 나눈 값입니다.

'''환경 감률 (ELR)'''
고도 영역	감률	감률
(m)	(°C / km)	(°F / 1000 ft)
0.0 – 11,000	6.50	3.57

대류권의 한 가지 특징은 수직 방향의 기온 감률(기온이 저하되는 비율)이 크다는 것이다. 즉, 고도가 높아짐에 따라 기온이 현저하게 저하된다. 평균적인 기온 감률은 100m당 약 0.65℃인 것으로 알려져 있다.

가열된 공기 덩어리가 상승하면 주변의 압력이 저하되어 단열 팽창함으로써 기온이 크게 저하된다(보일-샤를의 법칙).

하지만 대류권의 대기에는 다량의 수증기가 포함되어 있어 단열 팽창에 의한 온도 저하를 완화하는 효과가 있다.

2. 3. 2. 압축과 팽창

공기 덩어리가 상승하면 고도가 높아짐에 따라 대기압이 낮아지므로 팽창한다. 공기 덩어리의 팽창은 주변 공기를 밀어내고, 공기 덩어리에서 대기로 에너지(일의 형태로)를 전달한다. 열을 통해 공기 덩어리에 에너지를 전달하는 것은 환경과의 느리고 비효율적인 에너지 교환이며, 이는 단열 과정(열을 통한 에너지 전달이 없음)이다. 상승하는 공기 덩어리가 주변 대기에 작용하면서 에너지를 잃을 때, 열 손실을 보상하기 위해 대기에서 공기 덩어리로 열 에너지가 전달되지 않는다. 공기 덩어리는 고도가 높아짐에 따라 에너지를 잃는데, 이는 기단의 온도 감소로 나타난다. 마찬가지로, 압축되어 지표면으로 가라앉고 있는 차가운 공기 덩어리 내부에서는 역 과정이 발생한다.^[2]

공기 덩어리의 압축과 팽창은 에너지가 공기 덩어리 안으로 또는 밖으로 전달되지 않는 가역적인 현상이다. 대기 압축과 팽창은 단열 과정(

dS = 0

)으로 측정되며, 공기 덩어리가 대기 중에서 상승하거나 하강할 때 엔트로피 변화가 없다. 교환된 열(

dQ = 0

)은 엔트로피(

dS

)의 변화와

dQ = T dS

의 관계가 있으므로, 혼합 대기의 고도에 따른 기온을 나타내는 방정식은 다음과 같다.

\frac{\, dS\,}{dz} = 0

여기서 는 엔트로피이다. 단열 방정식은 대기 엔트로피가 고도에 따라 변하지 않는다는 것을 나타낸다. 단열 감률은 이러한 조건 하에서 온도가 고도에 따라 감소하는 비율을 측정한다.

대류권의 한 가지 특징은 수직 방향의 기온 감률(기온이 저하되는 비율)이 크다는 것이다. 즉, 고도가 높아짐에 따라 기온이 현저하게 저하된다. 평균적인 기온 감률은 100m당 약 0.65℃인 것으로 알려져 있다.

가열된 공기 덩어리가 상승하면 주변의 압력이 저하되어 단열 팽창함으로써 기온이 크게 저하된다(보일-샤를의 법칙).

하지만 대류권의 대기에는 다량의 수증기가 포함되어 있어 단열 팽창에 의한 온도 저하를 완화하는 효과가 있다. 가열된 수증기를 포함한 공기가 대류권 상부로 상승하면, 상술한 팽창에 의한 온도 저하로 수증기가 포화되어 응결하여 구름이 생성되고 잠열이 방출된다.

2. 3. 3. 습도

대기 중에 수증기가 포함되어 있다면, 공기의 냉각으로 인해 물이 응결될 수 있으며, 공기는 더 이상 이상 기체로 작용하지 않는다. 공기가 포화 수증기압에 도달하면, 고도에 따른 온도 감소율을 포화 단열감률이라고 한다. 고도에 따른 실제 온도 감소율은 환경 단열감률이다. 대류권에서 평균 환경 단열감률은 고도가 1.0km(1,000m) 증가할 때마다 약 6.5 °C 감소하는 것이다.^[2]

건조한 공기, 즉 거의 이상 기체인 경우, 단열 방정식은 다음과 같다.

:

p(z) \Bigl[T(z)\Bigr]^{-\frac{\gamma}{\,\gamma\,-\,1\,}} = \text{constant}

여기서

\gamma

는 공기의 비열비(

\gamma \approx \,

)이다. 공기압 방정식을 결합하면 건조 단열감률이 산출된다.

:

\frac{\,dT\,}{dz} = - \frac{\; m g \;}{R} \frac{\;\gamma\,-\,1\;}{\gamma} = -9.8^\circ\mathrm{C/km}

.^[5]^[6]

대류권의 한 가지 특징은 수직 방향의 기온 감률(기온이 저하되는 비율)이 크다는 것이다. 즉, 고도가 높아짐에 따라 기온이 현저하게 저하된다. 평균적인 기온 감률은 100m당 약 0.65℃인 것으로 알려져 있다.

가열된 공기 덩어리가 상승하면 주변의 압력이 저하되어 단열 팽창함으로써 기온이 크게 저하된다(보일-샤를의 법칙).

하지만 대류권의 대기에는 다량의 수증기가 포함되어 있어 단열 팽창에 의한 온도 저하를 완화하는 효과가 있다. 가열된 수증기를 포함한 공기가 대류권 상부로 상승하면, 상술한 팽창에 의한 온도 저하로 수증기가 포화되어 응결하여 구름이 생성되고 잠열이 방출된다.

2. 3. 4. 환경

대류권은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지한다. 일반적으로 제트기는 대류권의 최상부에서 비행한다. 대류권의 위 층은 성층권이다.^[2]^[3]

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.^[2]^[3]

대류권을 나타내는 영어인 ''troposphere''는 "돌리다", "섞다"를 나타내는 그리스어인 ''tropos''로부터 유래하였다. 이 말대로, 대류권은 끊임없이 움직이고 있다. 대류권에서 중요한 가스로는 질소 및 산소가 있다.^[2]^[3]

고도에 따른 온도변화는 다른 어떤 대기권보다도 심하다. 중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 하다.^[2]^[3]

대류권에서의 고도에 따른 온도변화를 살펴보면, 고도가 1 km 상승할수록, 온도는 대략 6.4 °C 내려간다. 대류권에서의 온도변화가 큰 이유는, 온도는 지표면에서 올라오는 복사열에 좌우되기 때문이다. 지표면에서 멀어질수록 열을 전달할 대기 입자가 줄어들며, 대류로 인한 가열 역시 줄어들게 되고 온도는 급격히 하강한다.^[2]^[3]

대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다. 대류권계면 위쪽으로는 고도 50km에 이르도록 온도가 서서히 상승한다. 대류권을 지나는 동안 비행기가 높이 뜨면 뜰수록 안내판의 기온은 섭씨건 화씨건 모두 낮아져서 최상부에 이르면 국내선 비행기는 -17도, 국제선 비행기는 -50 °C까지 내려간다.^[2]^[3]

환경 감률(dT/dz), 즉 고도에 따른 온도 감소율은 보통 단열 감률(dS/dz ≠ 0)과 같지 않다. 상층 대기가 단열 감률(dS/dz > 0)로 예측된 것보다 따뜻하다면, 상승하고 팽창하는 공기 덩어리는 새로운 고도에 도달할 때 주변 공기보다 낮은 온도를 갖게 된다. 이 경우, 공기 덩어리는 주변 공기보다 밀도가 높아서 원래 고도로 다시 내려오며, 이는 상승에 대해 안정적인 기단이다. 상층 대기가 단열 감률보다 차갑다면, 공기 덩어리가 새로운 고도로 상승할 때 기단은 주변 공기보다 온도가 높고 밀도가 낮아져 계속 가속하여 상승한다.^[2]^[3]

대류권의 한 가지 특징은 수직 방향의 기온 감률(기온이 저하되는 비율)이 크다는 것이다. 즉, 고도가 높아짐에 따라 기온이 현저하게 저하된다. 평균적인 기온 감률은 100m당 약 0.65℃인 것으로 알려져 있다.^[2]^[3]

가열된 공기 덩어리가 상승하면 주변의 압력이 저하되어 단열 팽창함으로써 기온이 크게 저하된다(보일-샤를의 법칙).^[2]^[3]

하지만 대류권의 대기에는 다량의 수증기가 포함되어 있어 단열 팽창에 의한 온도 저하를 완화하는 효과가 있다. 가열된 수증기를 포함한 공기가 대류권 상부로 상승하면, 상술한 팽창에 의한 온도 저하로 수증기가 포화되어 응결하여 구름이 생성되고 잠열이 방출된다.^[2]^[3]

2. 4. 대류권계면

대류권계면은 대류권과 성층권의 경계를 나타낸다.^[7] 중간 위도의 경우 해수면의 온도가 +17°C인 데 반해 대류권계면에서는 -52 °C에 이른다. 대류권계면에서의 온도는 대류권이 얇은 극지방의 경우는 -45 °C정도인 데 반해, 대류권이 두터운 적도지방에서는 -75 °C에 이르기도 하다. 대류권을 지나는 동안 비행기가 높이 뜨면 뜰수록 안내판의 기온은 섭씨건 화씨건 모두 낮아져서 최상부에 이르면 국내선 비행기는 -17도, 국제선 비행기는 -50 °C까지 내려간다.^[7]

권계면은 대류권과 성층권 사이의 대기 경계층이며, 대류권과 성층권에서 고도 증가에 따른 온도 변화를 측정하여 위치를 파악한다. 대기 중 가장 차가운 층으로, 기온 감률이 양수(대류권)에서 음수(성층권)로 변하는 지점이 권계면의 위치를 나타내며, 대류권과 성층권 사이의 공기층 혼합이 제한되는 역전층으로 확인된다.^[2]^[7]

3. 대기 순환

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.^[8]

대기의 일반적인 흐름은 서에서 동쪽으로 향하지만, 북에서 남쪽으로 또는 남에서 북쪽으로 향하는 극지방 기류에 의해 방해받을 수 있다. 이를 기상학에서는 편서풍(zonal flow)과 경도풍(meridional flow)으로 설명한다. 이러한 용어는 시노프틱 규모의 대기의 국지적인 영역을 설명하는 데 사용된다. 3셀 모델은 지구의 전 지구적 대기의 편서풍과 경도풍을 더욱 자세히 설명한다.

'''대류권 편서풍:''' 500hPa 고도 패턴에서 대기의 지배적인 서쪽에서 동쪽으로의 흐름을 나타내는 대류권 편서풍이다.

'''경도풍:''' 2003년 10월 23일의 경도풍 패턴은 500hPa 고도 패턴에서 증폭된 저기압과 고기압을 보여준다.

3. 1. 3셀 모델

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.^[8]

지구 대기의 3개 세포 모형은 열대 지방의 해들리 세포, 중위도의 페렐 세포, 그리고 극 세포를 사용하여 실제 대기 흐름, 에너지 흐름, 그리고 지구 대기의 순환을 설명한다. 이 모형의 기본 원리는 균형, 즉 지구가 1년 동안 흡수하는 태양 에너지가 우주로 방출(손실)되는 에너지와 같다는 것이다. 지구의 에너지 균형은 태양이 지구의 세 가지 대기 세포 각각에 닿는 햇빛의 세기가 다르기 때문에 각 위도에 동일하게 적용되지 않는다. 이는 지구의 자전축이 태양 공전 궤도면에 대해 기울어져 있기 때문이다. 그 결과로 발생하는 대기 순환은 따뜻한 열대 공기를 지리적 극지방으로, 차가운 극지방 공기를 열대 지방으로 이동시킨다. 세 개의 세포의 효과는 지구 대기의 열과 수분의 균형을 유지하려는 경향이다.^[8]

3. 2. 종관 규모 대기 순환

대류권은 셀이라고 불리는 6개의 영역으로 나뉜다. 이 영역은 대기 순환을 일으키며, 탁월풍을 유발한다.

대류권의 편서풍 지배 영역은 일반적인 기류 패턴이 지구의 위도선을 따라 서쪽에서 동쪽으로 흐르고, 약한 단파가 이 기류에 묻혀 있는 것을 의미하는 기상학적 용어이다.^[9] "대류권의 편서풍 지배 영역"이라는 용어에서 "영역"이라는 단어는 기류가 지구의 위도 "영역"을 따라 흐른다는 것을 나타낸다. 이러한 패턴은 굴곡질 수 있으며, 따라서 경도풍이 될 수 있다.

대류권의 편서풍이 굴곡을 이루면, 대기는 경도 방향(또는 위도 방향)으로 흐를 수 있으며, 따라서 "위도 방향 순환"이라는 용어가 생겨난다. 위도 방향 순환 패턴은 강하고 증폭된 저기압 골과 고기압 마루를 특징으로 하며, 일반적인 패턴에서 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 것보다 남북 방향으로 흐르는 양이 더 많다.^[10]

3. 2. 1. 편서풍 (Zonal Flow)

대류권의 편서풍 지배 영역은 일반적인 기류 패턴이 지구의 위도선을 따라 서쪽에서 동쪽으로 흐르고, 약한 단파가 이 기류에 묻혀 있는 것을 의미하는 기상학적 용어이다.^[9] "대류권의 편서풍 지배 영역"이라는 용어에서 "영역"이라는 단어는 기류가 지구의 위도 "영역"을 따라 흐른다는 것을 나타낸다. 이러한 패턴은 굴곡질 수 있으며, 따라서 경도풍이 될 수 있다.

3. 2. 2. 경도풍 (Meridional Flow)

대류권의 편서풍이 굴곡을 이루면, 대기는 경도 방향(또는 위도 방향)으로 흐를 수 있으며, 따라서 "위도 방향 순환"이라는 용어가 생겨난다. 위도 방향 순환 패턴은 강하고 증폭된 저기압 골과 고기압 마루를 특징으로 하며, 일반적인 패턴에서 서쪽에서 동쪽으로 흐르는 것보다 남북 방향으로 흐르는 양이 더 많다.^[10]

3. 3. 대류권 내 구분

대류권은 지표면에서 시작하여 약 11km까지이며, 열대 지방에서는 16~18km, 극지방에서는 10km 이내이다. 이 층은 전체 대기 질량의 약 75~90%를 차지하며, 일반적으로 제트기는 대류권 최상부에서 비행한다. 대류권은 대기 순환을 일으키는 6개의 셀(cell) 영역으로 나뉘며, 탁월풍을 유발한다.

대류권을 뜻하는 영어 ''troposphere''는 "돌리다", "섞다"를 의미하는 그리스어 ''tropos''에서 유래했으며, 이에 걸맞게 대류권은 끊임없이 움직인다. 대류권의 주요 가스는 질소와 산소이다.

고도에 따른 온도 변화는 다른 어떤 대기권보다 심하다. 중간 위도에서 해수면 온도는 +17°C인 반면, 대류권계면에서는 -52°C에 이른다. 대류권계면 온도는 극지방에서 -45°C, 적도 지방에서 -75°C 정도이다. 고도가 1km 상승할 때마다 온도는 대략 6.4°C씩 낮아진다. 이는 지표면 복사열의 영향으로, 지표면에서 멀어질수록 열 전달 입자가 줄고 대류 가열도 감소하기 때문이다.

대류권계면은 대류권과 성층권의 경계이다. 대류권계면 위쪽 약 50km까지는 온도가 서서히 상승한다.

대류권 하부에서는 대기가 지표와 마찰을 일으키지만, 상부에서는 마찰이 없어 기상 현상에 차이가 있다. 이를 바탕으로 대류권은 세 층으로 나뉜다. 해발 0m부터 100m까지는 접지경계층(접지층), 100m부터 1km까지는 엑만 경계층(엑만층), 1km부터 대류권 최상층인 11km까지는 자유대기이다. 접지층은 지면 마찰로 난류가 불규칙하고 활발하며, 엑만층은 코리올리 힘, 기압경도력, 마찰력의 균형으로 대기가 운동한다. 접지경계층과 엑만 경계층을 통틀어 대기경계층이라고 한다. 자유대기에서는 지면 마찰 영향 없이 대기가 자유롭게 운동한다.

이 층들의 높이는 위도, 지형, 계절, 시간대에 따라 다르다.

자유대기 상층부, 즉 대류권 상부에는 제트 기류가 흐르며, 고도 약 11km 부근에서 풍속이 최대이다. 일본 상공 편서풍도 11km 부근에서 풍속이 최대이다. 열대에서 데워진 공기가 상승하고 아열대 고압대에서 하강하는 해들리 순환 등 대규모 대기 운동도 있다.

대류권과 성층권의 경계면인 대류권계면은 고도 약 11km 부근이나, 계절, 위도에 따라 변한다. 적도 부근 17km, 극 부근 9km, 중위도 11km 정도이며, 기온이 높을수록 높다. 장거리 여객기는 이 계면 부근을 비행한다.

참조

_[1] 서적 Concise Encyclopedia of Science & Technology McGraw-Hill
_[2] 서적 Meteorology McGraw Hill
_[3] 서적 Fluid Mechanics Pergamon
_[4] 서적 The Climate of the Earth Rowman and Littlefield Publishers Inc.
_[5] 서적 Thermal Physics Freeman
_[6] 서적 Statistical Physics Pergamon
_[7] 웹사이트 The Stratosphere — Overview https://scied.ucar.e[...] University Corporation for Atmospheric Research 2018-07-25
_[8] 웹사이트 Meteorology – MSN Encarta, "Energy Flow and Global Circulation" http://encarta.msn.c[...] Encarta.Msn.com 2006-10-13
_[9] 웹사이트 American Meteorological Society Glossary – Zonal Flow http://amsglossary.a[...] Allen Press Inc. 2000-06-00
_[10] 웹사이트 American Meteorological Society Glossary – Meridional Flow http://amsglossary.a[...] Allen Press Inc. 2000-06-00

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