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비행운

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1. 개요

비행운은 항공기 엔진 배기가스 또는 날개에서 발생하는 기압 변화로 인해 대기 중의 수증기가 응결되어 생성되는 현상이다. 엔진 배기가스는 수증기와 이산화탄소를 포함하며, 고고도에서 낮은 온도와 습도 조건에서 비행운을 형성한다. 또한, 날개 위 기압 감소로 인한 응결, 날개 끝 와류, 플랩, 프로펠러, 탄환 등에서도 비행운이 발생할 수 있다. 비행운은 지구 복사 강제력을 증가시켜 기후에 영향을 미치며, 비행운의 종류와 생성 조건에 따라 기후 영향이 다르게 나타난다.

2. 비행운의 생성 과정

비행운은 주로 항공기 엔진에서 나오는 배기 가스, 그리고 날개 주변의 압력 변화 때문에 생성된다.

엔진 배기 가스에 의한 비행운은 항공기 엔진이 연료를 태워 만들어내는 뜨거운 배기 가스에 포함된 수증기가 차가운 대기와 만나 작은 물방울이나 얼음 결정으로 변하면서 만들어진다. 이는 겨울철 입김이 하얗게 보이는 것과 같은 원리다.

날개 주변의 압력 변화에 의한 비행운은 주로 항공기가 이륙, 착륙하거나 급격하게 방향을 바꿀 때 잘 나타난다. 항공기 날개가 양력을 만들어낼 때 날개 윗부분의 공기 압력이 낮아지면서 온도가 내려가고, 이로 인해 공기 중의 수증기가 응결되어 작은 물방울을 형성하여 만들어진다.

드물게 화기에서도 비행운이 관찰되는데, 이는 탄환 주변 공기 압력 변화로 인한 응결 때문이다.[12][13] 탄환의 증기 흔적은 어느 방향에서든 관찰 가능하며, 탄도 자취와는 다른 현상이다.[12][14]

2. 1. 엔진 배기 가스에 의한 응결

상공에서 콴타스 항공보잉 747-400의 비행운


엔진 배기가스는 탄화수소 연료의 연소 생성물인 과 이산화탄소로 주로 구성된다. 불완전한 탄화수소 연료 연소로 인한 휘발성 유기 화합물, 무기 화합물 가스, 다환 방향족 탄화수소, 산소화된 유기물, 알코올, 오존, 그을음 입자 등 다른 화학 부산물들도 낮은 농도로 관찰되었다. 항공기 배기가스의 최대 30%가 미연소 연료일 수 있다.[6] 고고도에서는 과냉각된 수증기가 응축을 유도하는 트리거가 필요한데, 항공기 배기가스의 배기 입자가 이 역할을 하여 갇힌 수증기가 빠르게 응축되도록 한다. 배기 비행운은 대개 높은 고도, 일반적으로 8000m 이상에서 형성되며, 이때 기온은 -36.5°C 이하이다. 또한 공기가 차고 습할 때 지면 가까이에서도 형성될 수 있다.[7]

2013~2014년 NASA, 독일 항공우주센터(DLR), 캐나다 국립 연구 위원회(NRC)가 공동 지원한 연구에 따르면 바이오 연료가 비행운 생성을 줄일 수 있다고 밝혀졌다. 바이오 연료는 얼음 결정이 형성되는 핵인 그을음 입자를 덜 생성하기 때문이다. 더글러스 DC-8을 순항 고도로 비행시키고, 시료 채취 항공기가 뒤따르는 방식으로 수행된 실험에서, 기존 제트 A1 연료와 카멜리나에서 생산된 HEFA(수소 처리된 에스테르 및 지방산) 바이오 연료의 50% 혼합물을 사용하여 비행운 생성 그을음 입자 수를 50~70% 감소시켰다.[8][9][10]

2. 2. 압력 감소에 의한 응결

P-40 워호크의 프로펠러 팁 와류에서 생성된 응결


양력을 발생시키는 날개에서는 날개 끝과 펼쳐진 플랩 끝에서 와류가 형성된다. 이러한 날개 끝 와류는 항공기가 지나간 후에도 대기 중에 오랫동안 지속된다. 각 와류를 가로지르는 압력과 온도의 감소는 물이 응결되어 날개 끝 와류의 코어를 보이게 할 수 있으며, 이 효과는 습한 날에 더 흔하게 나타난다. 날개 끝 와류는 이륙 및 착륙 시 항공기 날개 플랩 뒤에서, 그리고 우주왕복선 착륙 시 가끔 볼 수 있다.

보이는 날개 끝 와류의 코어는 연료 연소로 인해 발생하는 다른 주요 유형의 비행운과 대조된다. 제트 엔진 배기가스에서 생성된 비행운은 각 엔진 바로 뒤, 고도에서 볼 수 있다. 반대로, 날개 끝 와류의 보이는 코어는 일반적으로 이륙 후 또는 착륙 전에 항공기가 느리게 이동하고 주변 습도가 더 높은 낮은 고도에서만 볼 수 있으며, 엔진 뒤가 아니라 날개 끝과 날개 플랩 뒤에 꼬리를 남긴다.

높은 추력 설정에서 터보팬 엔진 흡입구의 팬 블레이드는 천음속 속도에 도달하여 공기 압력이 갑자기 떨어진다. 이것은 이륙 중 여행객들이 종종 관찰하는 (흡입구 내부의) 응결 안개를 생성한다.

회전하는 표면(예: 프로펠러와 로터)의 팁은 때때로 보이는 비행운을 생성한다.[11]

양력이 발생하는 비행기 날개 윗면에서는 기압이 낮아진다. 이때 대기는 단열 팽창으로 인해 온도가 내려가므로 대기 중의 수증기가 응축되어 물방울이 되고, 비행운으로 관찰된다. 특히 날개 끝 부분에서는 날개 아랫면과 윗면의 기압 차이로 인해 익단 와류라고 하는 와류가 발생하며, 중심 부근의 저압부에서 구름이 생기기 쉽다. 도그투스 (날개의 잘린 부분)나 LEX (동체와 접하는 부분의 날개 앞전이 연장된 것)와 같은 곳에서 발생하는 와류에 의해서도 생성될 수 있다.

다만, 이들 모두 큰 양력이 필요한 선회나 회전과 같은 고 G (중력 가속도) 기동 시에 발생하기 쉽고 (큰 양력이 발생하고 있을 때는 더욱 저압이 되기 때문에), 수평 비행 시에는 보통 이러한 종류의 구름은 보이지 않는다. 하지만, 고양력 장치의 일종인 플랩을 완전히 펼쳐 양력을 크게 늘리는 착륙 시에는, 고G 기동은 아니지만, 플랩 끝이나 날개 끝에 와류에 의한 구름이 생기는 경우가 있다.

3. 비행운의 종류

비행운은 크게 세 가지 종류로 나눌 수 있다.


  • '''배기 비행운:''' 항공기 엔진에서 나오는 뜨거운 배기가스가 차가운 상공의 공기와 만나면서 생성되는 비행운이다.
  • '''공기역학적 비행운:''' 항공기 날개 주변의 공기 흐름이 변화하면서 발생하는 비행운이다.
  • '''소멸 비행운''' (반대 비행운): 항공기가 구름 속을 통과할 때, 엔진 배기가스의 열이나 난기류 등으로 인해 구름이 사라지면서 발생하는 비행운이다.[51]


3. 1. 배기 비행운

엔진 배기가스는 탄화수소 연료의 연소 생성물인 물과 이산화탄소로 주로 구성된다. 불완전한 탄화수소 연료 연소로 인한 휘발성 유기 화합물, 무기 화합물 가스, 다환 방향족 탄화수소 등 다른 화학 부산물도 낮은 농도로 관찰되었다.[6] 항공기 배기가스의 최대 30%가 미연소 연료일 수 있다.[6] 엔진 마모로 인한 마이크론 크기의 금속 입자도 감지되었다.

이 수증기가 차가운 환경으로 나오면, 국소적인 수증기 증가로 인해 공기의 상대 습도이슬점을 넘어서게 된다. 그러면 수증기는 작은 물방울로 응축되며, 온도가 충분히 낮으면 얼어붙는다. 이 수백만 개의 작은 물방울과/또는 얼음 결정이 비행운을 형성한다. 고고도에서는 과냉각된 수증기가 응축되기 위해 트리거가 필요한데, 항공기 배기가스의 배기 입자가 이 역할을 하여 갇힌 수증기가 빠르게 응축되도록 한다. 배기 비행운은 대개 높은 고도, 일반적으로 8000m 이상에서 형성되며, 이때 기온은 -36.5°C 이하이다. 또한 공기가 차고 습할 때 지면 가까이에서도 형성될 수 있다.[7]

2013~2014년 NASA, 독일 항공우주센터(DLR), 캐나다 국립 연구 위원회(NRC)가 공동 지원한 연구에 따르면 바이오 연료가 비행운 생성을 줄일 수 있다고 밝혀졌다. 바이오 연료는 얼음 결정이 형성되는 핵인 그을음 입자를 덜 생성하기 때문이다. 더글러스 DC-8을 순항 고도로 비행시키고, 시료 채취 항공기가 뒤따르는 방식으로 수행된 테스트에서, 기존 제트 A1 연료와 카멜리나에서 생산된 HEFA(수소 처리된 에스테르 및 지방산) 바이오 연료의 50% 혼합물을 사용하여 비행운 생성 그을음 입자 수를 50~70% 감소시켰다.[8][9][10]

엔진의 배기가스로 인해 공기 중의 수분이 증가하여 포화 수증기량에 도달하는 경우가 있으며, 그것이 응축하여 물방울, 얼음이 되어 구름이 된다.

항공기 연료로는 왕복 엔진의 경우 가솔린, 제트 엔진의 경우 등유를 기반으로 한 케로신이 사용된다. 어느 쪽이든 주성분은 탄화수소이며, 탄소는 타서 이산화 탄소가 되고, 수소이 되어 수증기로 방출된다.

원래 대기 중에 존재하는 수분과 합쳐져 대기 중의 미립자 등을 핵으로 물방울이 성장하고, 더 나아가 고고도의 저온 하에서 빙결하여 비행기 구름이 된다. 이 때문에 중위도 지역에서는 5000m~13000m 고도에 존재하는 경우가 많다.

엔진이 4개 달린 비행기(보잉 747, 에어버스 A340 등)에서는 4개의 구름이 나오지만, 좌우 2개씩 묶여 2개만 나오는 것처럼 보이는 경우가 있다.

3. 2. 공기역학적 비행운



날개가 양력을 생성하면, 날개 끝과 펼쳐진 플랩 끝에서 와류(날개 끝 와류)가 형성된다. 이러한 날개 끝 와류는 항공기가 지나간 후에도 대기 중에 오랫동안 지속된다. 각 와류를 가로지르는 압력과 온도의 감소는 물이 응결되어 날개 끝 와류의 코어를 보이게 할 수 있으며, 이 효과는 습한 날에 더 흔하게 나타난다. 날개 끝 와류는 이륙 및 착륙 시 항공기 날개 플랩 뒤에서, 그리고 우주왕복선 착륙 시 가끔 볼 수 있다.

보이는 날개 끝 와류의 코어는 연료 연소로 인해 발생하는 다른 주요 유형의 비행운과 대조된다. 제트 엔진 배기가스에서 생성된 비행운은 각 엔진 바로 뒤, 고도에서 볼 수 있다. 반대로, 날개 끝 와류의 보이는 코어는 일반적으로 이륙 후 또는 착륙 전에 항공기가 느리게 이동하고 주변 습도가 더 높은 낮은 고도에서만 볼 수 있다. 이것들은 엔진 뒤가 아니라 날개 끝과 날개 플랩 뒤에 꼬리를 남긴다.

높은 추력 설정에서 터보팬 엔진 흡입구의 팬 블레이드는 천음속 속도에 도달하여 공기 압력이 갑자기 떨어진다. 이것은 이륙 중 여행객들이 종종 관찰하는 (흡입구 내부의) 응결 안개를 생성한다. 회전하는 표면(예: 프로펠러와 로터)의 팁은 때때로 보이는 비행운을 생성한다.[11]

양력이 발생하는 비행기 날개 윗면에서는 기압이 낮아진다. 이때 대기는 단열 팽창으로 인해 온도가 내려가므로 대기 중의 수증기가 응축되어 물방울이 되고, 비행운으로 관찰된다. 특히 날개 끝 부분에서는 날개 아랫면과 윗면의 기압 차이로 인해 익단 와류라고 하는 와류가 발생하며, 중심 부근의 저압부에서 구름이 생기기 쉽다. 도그투스 (날개의 잘린 부분)나 LEX (동체와 접하는 부분의 날개 앞전이 연장된 것)와 같은 곳에서 발생하는 와류에 의해서도 생성될 수 있다.

다만, 이들 모두 큰 양력이 필요한 선회나 회전과 같은 고 G (중력 가속도) 기동 시에 발생하기 쉽고 (큰 양력이 발생하고 있을 때는 더욱 저압이 되기 때문에), 수평 비행 시에는 보통 이러한 종류의 구름은 보이지 않는다. 하지만, 고양력 장치의 일종인 플랩을 완전히 펼쳐 양력을 크게 늘리는 착륙 시에는, 고G 기동은 아니지만, 플랩 끝이나 날개 끝에 와류에 의한 구름이 생기는 경우가 있다.

3. 3. 소멸 비행운 (반대 비행운)

디스트레일은 비행운의 반대 현상이다.


항공기가 얇게 펼쳐진 구름 속을 통과할 때, 엔진 배기 가스의 열, 난기류, 또는 엔진 배기가스의 입자 등으로 인해 구름이 사라지면서 발생하는 현상을 '''소멸 비행운'''(消滅飛行雲) 또는 '''반대 비행운'''(反對飛行雲)이라고 한다.[51]

비행운 발생 원인으로는 다음 세 가지가 꼽힌다.[51]

  • 비행기 배출 가스의 열로 인해 대기 중의 수분이 증발하는 현상
  • 난기류로 인해 주변의 건조한 대기와 섞이는 현상
  • 엔진 배기가스의 입자에 의해 수분이 얼어붙어 낙하하는 현상


디스트레일(distrail, "소산 흔적"의 줄임말)은 항공기가 구름을 통과할 때, 그 경로에 있는 구름을 흩어지게 하여 발생한다. 항공기의 따뜻한 엔진 배기가스와 항공기 후류의 향상된 수직 혼합은 기존의 구름 입자를 증발시킬 수 있다. 구름이 충분히 얇으면, 이러한 과정은 빽빽한 구름 층에서 구름이 없는 통로를 만들 수 있다.[47]

구름은 보이지 않는 수증기가 미세한 물방울이나 미세한 얼음 결정으로 응축될 때 형성된다. 디스트레일은 엔진 배기가스의 열이 구름 속의 액체 물방울을 증발시켜 보이지 않는 기체 상태의 수증기로 되돌릴 때 형성된다. 디스트레일은 또한 얇은 구름 층 위 또는 아래의 건조한 공기가 항공기의 통과 후에 향상된 혼합의 결과로 발생할 수 있다.

4. 비행운이 기후에 미치는 영향

항공기 비행운은 지구에서 방출되는 장파 복사를 가두고 태양 복사를 반사하여 복사 강제력을 증가시켜 기후 변화에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.[15] 1992년에는 이러한 온난화 효과가 3.5 mW/m2에서 17 mW/m2 사이로 추정되었고,[16] 2009년에는 2005년 값이 12 mW/m2로 추정되었으며, 불확실성 범위는 5~26 mW/m2였다.[17]

비행운 권운은 항공 교통의 가장 큰 복사 강제력 성분일 수 있으며, 2050년에는 2006년 대비 세 배 증가할 수 있다는 예측도 있다.[18][19] 비행운 효과는 형성 시기에 따라 다른데, 낮에는 기온을 낮추고 밤에는 기온을 높인다.[21] 2006년에는 야간 비행이 비행운 복사 강제력의 60~80%를, 겨울철 비행이 연간 평균 복사 강제력의 절반을 차지하는 것으로 추정되었다.[22]

9.11 테러 이후 미국 영공 폐쇄 기간 동안 비행운 감소로 일교차가 1.1°C 커졌다는 연구 결과가 있었으나,[24] 자연적인 구름 덮개 변화가 더 큰 영향을 미쳤다는 반론도 제기되었다.[28] 2020년 코로나바이러스감염증-19 범유행으로 인한 항공 교통량 감소 기간 동안의 연구에서는 비행운 변화에 따른 "일일 지표면 기온 범위에 유의미한 반응"이 없었으며, "순 유의미한 전 지구 ERF"(유효 복사 강제력)가 없거나 매우 작은 온난화 효과가 있었다.[33][34][35]

비행운의 기후 영향을 줄이기 위해 비행 계획 수립 시 비행운 발생을 최소화하는 방안 등 다양한 연구가 진행되고 있다.[36] 미국에서는 비행운이 기상에 영향을 미친다는 가설이 있었고, 9.11 테러 이후 3일 동안의 항공기 비행 금지 기간 동안 비행운이 없는 상태에서 주야간 온도차가 약 1℃ 증가했다는 관측 결과도 있었다. 비행운이 지구 박명 현상의 주요 원인이라는 주장도 제기되고 있다.

5. 비행운과 관련된 기타 현상

관찰자를 향해 날아오는 비행기에서 생긴 비행운은 수직으로 움직이는 물체에 의해 생성된 것처럼 보일 수 있다.[41][42] 2010년 11월 8일, 미국 캘리포니아주에서 이 유형의 비행운이 미국 군 및 항공 당국이 설명할 수 없는 "미스터리 미사일"로 언론의 주목을 받았으며,[43] 비행운으로 설명되기까지 미국 언론과 군 당국에서 24시간 이상 걸렸다.[46]

5. 1. 정면 비행운 (Head-on contrails)

관찰자를 향해 날아오는 비행기에서 생긴 비행운은 수직으로 움직이는 물체에 의해 생성된 것처럼 보일 수 있다.[41][42] 2010년 11월 8일, 미국 캘리포니아주에서 이 유형의 비행운이 미국 군 및 항공 당국이 설명할 수 없는 "미스터리 미사일"로 언론의 주목을 받았다.[43] 이후 비행운으로 밝혀지기까지 미국 언론과 군 당국에서 24시간 이상 걸렸다.[41][42][44][45][46]

5. 2. 군용기와 비행운

군용기, 특히 기동력이 떨어지는 수송기폭격기는 비행운으로 인해 지상에서 위치가 노출될 수 있어 (레이더 대항 기술이 발달했음에도) 위협이 될 수 있다.[49]

이 때문에, 비행운 발생 원인과 함께 비행운을 줄이는 방법에 대한 연구가 계속되고 있다.

미국 공군의 B-2 초기 설계에서는 플루오로설포닐 클로라이드를 제트 엔진 배기가스에 섞어 비행운 발생을 억제하는 기능이 시도되었다. 그러나 이 과정에서 불화 수소가 생성되어 해당 물질 자체가 맹독성을 띌 뿐만 아니라,[49] 생성 물질 또한 맹독성인 불화 수소와 강산인 염산, 황산이기 때문에 장비 채용이 중단되었다. 이후 비행운이 생기기 어려운 공역을 비행하도록 변경되었다.[50]

5. 3. 관천망기와 비행운

관천망기에서는 "비행운은 날씨가 변할 징조"라고 하며, 비행운이 뚜렷하게 나타날 때는 상공의 공기가 수증기를 많이 함유하고 있어 날씨가 나빠질 것을 나타낸다[52]. "비행운이 곧 사라지면 맑음"이라고도 하며, 이럴 때는 상공의 습도가 적어 날씨가 악화되지 않음을 나타낸다[53].

5. 4. 에어쇼의 스모크

항공 쇼 등에서 곡예 비행기가 비행 궤적을 보여주는 것은 기름을 안개 모양으로 분사해 만든 스모크이며, 비행운이 아니다.

참조

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