대류권계면
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1. 개요
대류권계면은 대류권과 성층권 사이의 경계로, 고도가 높아짐에 따라 공기가 더 이상 차가워지지 않고 건조해지는 대기 층이다. 대류권계면은 대류권과 성층권을 구분하며, 온도 감율의 급격한 변화가 일어나는 지점이다. 위치는 적도에서 가장 높고 극지방에서 가장 낮으며, 기온 감률, 와도, 화학 조성을 기준으로 정의될 수 있다. 대류권계면은 열대 대류권계면 냉각 트랩 역할을 하며, 지구 온난화로 인해 약화될 수 있다. 또한, 뇌우와 같은 현상으로 인해 진동이 발생하며, 상업용 항공기의 순항 고도로 활용된다.
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| 대류권계면 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 대류권과 성층권 사이의 대기 경계 |
| 위치 | 고도 약 17km (여름철에는 더 높고, 겨울철에는 더 낮음) |
| 고도 변화 | 극지방에서는 약 9km |
| 특징 | |
| 온도 | 대기 온도가 고도에 따라 감소하는 것이 멈추고, 대기가 건조해짐 |
| 제트류 | 강한 제트류가 흔히 발생 |
| 대기 안정성 | 대기 안정성이 매우 높음 |
| 관련 현상 | |
| 권운 | 권운 형성에 영향 |
| 오존층 | 오존층 형성에 영향 |
| 기타 | |
| 영어 | Tropopause |
2. 정의
대류권계면은 아래의 대류권과 위의 성층권을 구분하는 경계이며, 환경 감율 (ELR)의 급격한 변화가 일어나는 대기의 일부이다. 대류권에서는 온도가 고도에 따라 감소(양의 감율)하지만, 성층권에서는 증가(음의 감율)한다. 대류권계면은 이러한 온도 감율이 2°C/km 이하로 감소하는 가장 낮은 층으로 정의되며, 해당 층과 2.0 km 이내의 다른 모든 상위 층 사이의 평균 감율이 2°C/km를 초과하지 않는다는 조건을 가진다.[1] 대류권계면은 높이에 따른 온도는 연속적으로 변하지만, 온도 기울기는 불연속성을 갖는 1차 불연속 표면이다.
대류권계면은 그 아래에 있는 전체 층의 평균 온도에 반응하므로, 적도에서 최고 높이에 있으며 극지방에서는 최소 높이에 도달한다.[2][3] 이 때문에, 대기 중 가장 차가운 층은 적도 상공 약 17km에 위치한다. 시작 높이의 변화로 인해 대류권계면은 적도 대류권계면과 극 대류권계면으로 나뉜다.
앨런 웨스트 브루어는 1949년에 대류권 공기가 적도 부근에서 대류권계면을 통과하여 성층권으로 들어간 다음, 성층권을 통과하여 온대 및 극지방으로 이동하여 다시 대류권으로 하강한다고 제안했다.[5] 이것은 현재 브루어-돕슨 순환으로 알려져 있다. 기체는 주로 대류권계면이 가장 차가운 열대 지방의 대류권계면을 통과하여 성층권으로 들어가기 때문에, 성층권으로 들어가는 공기에서 수증기가 응축된다. 이 "열대 대류권계면 냉각 트랩" 이론은 널리 받아들여졌다.[6] 이 냉각 트랩은 성층권 수증기를 100만 분의 3~4로 제한한다.[7] 하버드 대학교의 연구자들은 지구 온난화가 공기 순환 패턴에 미치는 영향으로 열대 대류권계면 냉각 트랩이 약화될 것이라고 제안했다.[8]
대류권계면은 고정된 경계가 아니다. 예를 들어, 격렬한 뇌우, 특히 열대성 뇌우는 오버슛하여 하부 성층권으로 돌입하여 짧은 시간(1시간 이내) 동안 저주파 수직 진동을 겪는다.[12] 이러한 진동은 해당 지역의 대기 및 해류에 영향을 미칠 수 있는 저주파 대기 중력파를 발생시킨다.
세계 기상 기구(WMO)는 대류권계면을 다음과 같이 엄밀하게 정의한다.[15]
[1]
서적
International Meteorological Vocabulary
Secretariat of the World Meteorological Organization
1992
대류권은 지구 대기층 중 가장 아래에 있으며, 기상 현상이 일어나는 층이다. 지표에서 시작하여 높이는 평균적으로 양극에서는 6km, 적도에서는 17km 정도이다. 성층권은 적도에서는 약 17km 고도에서 시작하여 50km 정도까지이며, 오존층이 존재한다. 적도 상공에서 가장 높고, 남극이나 북극 상공에서 가장 낮다. (최근 관측에서는 적도 부근에서 남북으로 고도가 증가하는 U자형 구조를 띠는 것이 밝혀졌다.) 이 때문에 대기권에서 가장 차가운 층은 적도 상공의 약 17km 지점이다. 대류권 계면에는 적도 대류권 계면과 극 대류권 계면의 두 가지 유형이 있다.
세계 기상 기구에서는 대류권계면을 "제1권 계면"으로 정의하며, 그 정의는 다음과 같다.[15]
: 500hPa 면 이상의 높이에서 기온 감률이 2℃/km 또는 그 이하로 낮아지고, 그 면으로부터 2km 높은 범위 내의 모든 면에서 평균 감률이 2℃/km를 넘지 않는 층의 최하단
와도(:en:potential vorticity)를 사용하는 동적인 정의도 있다. 보편적으로 사용되는 것은 아니지만, 가장 일반적으로 사용되는 임계값은 2PVU 또는 1.5PVU 면을 대류권 계면으로 하는 것이다. PVU는 와도의 단위(1PVU = 10-6 K m2 kg-1 s-1)를 나타낸다.
화학 조성을 이용하여 대류권 계면을 정의할 수도 있다. 예를 들어, 성층권 하부는 대류권 상부와 비교하면 오존 농도는 훨씬 높고, 수증기 농도는 훨씬 낮다.
대류권 계면은 "단단한" 경계가 아니다. 예를 들어, 특히 열대성 발달된 적란운은 대류권을 돌파하여 성층권 하부까지 도달하여 잠시 동안 저주파로 수직 진동할 수 있다.
3. 위치
대류권계면의 위치는 대류권에서 성층권까지의 기온 감률을 측정하여 알 수 있다. 대류권에서의 기온 감률은 평균적으로 1km당 6.5℃이다. 이는 1km 상승할 때마다 온도가 6.5℃ 하강한다는 것을 의미한다. 그러나 성층권에서는 고도와 함께 온도가 상승한다. 고도에 따라 온도가 내려가지 않고 상승하기 시작하는 대기권 영역이 대류권계면이다.[15]
4. 열대 대류권계면 냉각 트랩
냉각 트랩을 통과할 수 있었던 수증기는 결국 성층권 상단까지 상승하여 광분해를 거쳐 산소와 수소, 또는 수산화물 이온과 수소로 분해된다.[9][10] 이 수소는 대기 밖으로 대기 탈출할 수 있다. 따라서 어떤 의미에서 열대 대류권계면 냉각 트랩은 지구가 물을 우주로 잃는 것을 막는 역할을 한다. 제임스 캐스팅은 지구의 미래에 대해 태양의 광도가 증가함에 따라 10억에서 20억 년 안에 지구의 온도가 충분히 상승하여 냉각 트랩이 더 이상 효과를 발휘하지 못하게 되어 지구가 건조해질 것이라고 예측했다.[11]
5. 현상
대부분의 상업용 항공기는 비행의 순항 단계 동안 대류권계면 바로 위, 하부 성층권에서 운항한다. 이 지역에는 일반적으로 대류권의 특징인 구름과 상당한 기상 교란이 없다.
특히 열대성 발달된 적란운은 대류권을 돌파하여 성층권의 하부까지 도달하여 잠시 동안(시간 단위) 저주파로 수직으로 진동할 수 있다. 이러한 진동으로 인해 저주파 대기의 파동열이 발생하며, 그 주변 지역의 기류나 해류에 영향을 미친다.
6. 추가 정보
: 500hPa 면 이상의 높이에서 기온 감률이 2℃/km 이하로 낮아지고, 그 면으로부터 2km 높은 범위 내의 모든 면에서 평균 감률이 2℃/km를 넘지 않는 층의 최하단
세계 기상 기구는 "제1권 계면"보다 높은 범위에서 권 계면의 존재를 특정하기 위한 정의도 정하고 있으며, 기상청도 이와 동일한 정의를 사용한다.[16]
와도(:en:potential vorticity)를 사용하는 동적인 정의도 있다. 보편적으로 사용되지는 않지만, 가장 일반적인 임계값은 2PVU 또는 1.5PVU 면을 대류권계면으로 한다. PVU는 와도의 단위(1PVU = 10-6 K m2 kg-1 s-1)이다. 이 임계값은 북반구와 남반구에 따라 각각 양 또는 음의 값을 가진다(예: 2 PVU 또는 -2 PVU).
화학 조성을 기준으로 대류권계면을 정의할 수도 있다. 예를 들어, 성층권 하부는 대류권 상부보다 오존 농도는 훨씬 높고, 수증기 농도는 훨씬 낮다.
참조
[2]
논문
Temperature, Humidity, and Wind at the Global Tropopause
1999
[3]
논문
Distribution and influence of convection in the tropical tropopause region
2002
[4]
논문
On the use and significance of isentropic potential vorticity maps
1985
[5]
논문
Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and water vapor distribution in the stratosphere
1949-10
[6]
논문
Cold trap dehydration in the Tropical Tropopause Layer characterised by SOWER chilled-mirror hygrometer network data in the Tropical Pacific
2013-04
[7]
서적
Atmospheric Evolution on Inhabited and Lifeless Worlds
[8]
논문
Weakening of the tropical tropopause layer cold trap with global warming
2023
[9]
논문
The aeronomic dissociation of water vapor by solar H Lyman α radiation
1983-06
[10]
논문
On the photodissociation of water vapour in the mesosphere
1984-07
[11]
논문
The life span of the biosphere revisited
1992-12
[12]
논문
Cloud top height variability of strong convective cells
1974
[13]
웹사이트
超高層大気 理科年表オフィシャルサイト
https://official.rik[...]
[14]
웹사이트
大気の構造と流れ,気象庁
https://www.jma.go.j[...]
[15]
간행물
"DEFINITION OF TROPOPAUSE"
COMMISSION FOR AEROLOGY ABRIDGED FINAL REPORT OF THE SECOND SESSION
1957
[16]
웹사이트
過去の気象データ検索,気象庁
https://www.data.jma[...]
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