성층권
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1. 개요
성층권은 대류권 위에 위치하며, 고도가 높아짐에 따라 온도가 상승하는 대기층이다. 1902년 프랑스의 레옹 테세렝 드 보르와 독일의 리하르트 아스만에 의해 발견되었으며, 오존층이 있어 자외선을 흡수하여 생명체 보호에 기여한다. 성층권은 브루어-돕슨 순환, 준 2년 진동, 행성파 붕괴 등 다양한 역학적 현상을 보이며, 바람의 분포는 계절에 따라 변화한다. 상업용 항공기는 연료 효율을 위해 성층권에서 순항하며, 고층 대기 번개와 세균, 일부 조류의 생존이 확인되기도 한다.
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| 성층권 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 특징 | |
| 정의 | 대기의 층 |
| 위치 | 대류권 바로 위, 중간권 바로 아래 |
| 고도 범위 | 약 10km에서 50km (극지방: 약 10km, 적도 지방: 약 20km) 대류권계면에서 시작 |
| 온도 변화 | 고도가 높아질수록 상승 상층부: 약 -15℃ |
| 온도 역전층 | 안정적인 층 형성 |
| 제트 기류 | 대류권계면 부근에서 강하게 나타남 속도: 60m/s (216km/h) 이상 |
| 구성 및 역할 | |
| 오존층 | 성층권 내 존재 자외선 흡수 지구 생명체 보호 |
| 안정적인 대기 | 대류 현상 미약 항공기 운항에 유리 |
| 기타 정보 | |
| 어원 | 라틴어 "stratus" (층) |
| 관련 용어 | 성층권 돌연 승온 |
2. 발견
1902년, 프랑스의 레옹 테세렝 드 보르와 독일의 리하르트 아스만은 수년간의 관측을 바탕으로 별도의 문건을 발표하여, 약 11km~14km 지점에 등온층이 존재함을 발견했는데, 이는 하부 성층권의 시작점이었다. 이 발견은 주로 무인, 그리고 소수의 유인 계측 기구를 장착한 기구로부터 얻은 온도 프로파일을 기반으로 이루어졌다.[26]
19세기 말부터 프랑스의 테스랭 드 보르는 파리 교외의 트라페스에서 무인 기구를 사용하여 고층 기상 관측을 수행했는데, 1898년 4월 야간 관측에서 처음으로 고도 10km에서 온도가 상승하는 층을 관측했다. 같은 해 6월 8일 이른 아침 관측에서도 고도 11.8km 이상에서 -59℃의 등온층을 관측했다. 그러나 그는 태양 복사를 받아 온도가 올라간 것이 아닌가 의심하여, 과학 아카데미에 보고할 때 고도 13km에서 -71℃로 기온을 낮추는 보정을 했다.[26]
1899년 1월 8일 야간 관측에서도 상층에서 등온층을 관측했다. 그는 측정기 커버로부터의 복사를 의심하여 온도계를 커버 밖으로 옮겼다. 그래도 결과는 변하지 않고 역시 등온층을 관측했다.[27] 그는 동시에 여러 개의 기구를 띄워 확인을 위한 비교 관측을 하기도 했다.[28]
테스랭 드 보르의 종이 기구는 저렴하여 관측 빈도를 높일 수 있었다. 게다가 아직 고무 기구가 없던 시대에, 그의 가벼운 종이 기구는 비교적 높은 고도까지 쉽게 도달할 수 있었다. 그가 1902년까지 파리에서 수행한 관측에서, 236개가 고도 11km 이상에 도달했고, 그 중 74개가 고도 14km 이상에 도달했다. 그는 수많은 관측과 주의 깊은 확인을 통해, 등온층을 관측의 오류나 일시적인 현상이 아닌, 실재하는 정적인 현상이라고 생각했다.[29] 1902년 4월 28일 파리 과학 아카데미 회합에서 이 등온층의 발견을 2페이지 분량의 문서로 보고했다 (프랑스 중앙 기상청장 마스카르가 대독).[30]
한편, 독일의 기상학자 리하르트 아스만은 1900년 경에 독일의 고무 회사와 공동으로 얇고 가볍고 잘 늘어나는 고무 기구를 개발했다. 그러나, 고무의 성능 때문에 처음에는 고도 15km~16km에서 파열되어, 그 이상의 고도에는 좀처럼 올라갈 수 없었다. 그래도 정적 기구보다 고도 10km 이상까지 안정적으로 관측할 수 있었다. 후년에는 개량되어 고도 30km 정도까지 상승할 수 있게 되었다.
아스만은 1901년 4월부터 11월까지 베를린에서 고무 탐측 기구를 사용하여 6차례의 고층 기상 관측을 수행했고, 그것들은 고도 12km~17km까지 도달했다. 그리고 1902년 5월 1일 베를린 과학 아카데미 회합에서, 고도 10km 이상에서 기온 감률이 급속히 느려져 등온층에 도달하거나 오히려 온도가 상승하고, 고도 10km에서 12km보다 높은 고도에서 따뜻한 대기의 흐름이 있는 것은 의심할 여지가 없음을 보였다.[31] 또한, 그 자리에서 그는 테스랭 드 보르가 파리에서 200회 이상의 관측을 수행하고 있음을 보이며, 아스만의 관측도 비슷한 결과를 보이고 있음을 덧붙였다.[31]
테스랭 드 보르와 아스만의 발표에 의해, 상공에서 기온의 하강이 멈춘다는 사실이 연구자들에게 명확하게 인식되기 시작했다. 테스랭 드 보르와 이를 지지하는 아스만의 결과는, 각국의 과학자들이 모인 1902년 5월 20일 베를린에서 열린 제3회 "과학 항공 국제 위원회(the International Committee for Scientific Aeronautics)" 회합에서 발표되었다.[32] 이후, 이 설은 각국에서 퍼졌다.
테스랭 드 보르의 보고가 아스만의 발표보다 약간 빨랐다는 점과, 아스만이 테스랭 드 보르의 결과를 자신의 결과 지지에 사용했다는 점 때문에, 성층권의 발견을 테스랭 드 보르의 공적으로 돌리는 저작물이 많은 듯하다. 그러나, 테스랭 드 보르의 불과 2페이지 분량의 문서 보고보다, 실제 관측 데이터를 제시한 아스만의 논문[31]이 더 설득력이 있는 것으로 보인다. 다만, 테스랭 드 보르와 아스만 두 사람의 공적으로 기록하는 경우도 적지 않고,[27] 국가의 위신을 건 의도도 있어서인지 성층권의 발견자에 관한 기술은 통일되지 않았다.[33] 또한, 6월 8일을 "성층권 발견의 날"로 하는 웹사이트가 있지만, 그 근거는 불분명하다.
성층권의 발견은, 지구가 구상 층상 구조를 가지고 있다는 생각의 발단이 되었다. 그것에 의해 대기뿐만 아니라, 해양의 에크만 층이나 육역의 모호로비치치 불연속면의 발견 등 지구과학의 발전에도 영향을 미쳤다고 생각된다.[34]
3. 오존층
성층권에서 열은 오존층이 태양의 자외선을 흡수하면서 발생한다.[8] 대류권과의 경계면은 위쪽으로부터의 열전도와 아래쪽 대류권으로부터의 대류가 열적 평형을 이루는 곳이다.
성층권에서 고도가 높아짐에 따라 온도가 상승하는 이유는 오존층이 자외선을 흡수하기 때문이다. 오존 농도가 가장 높은 곳은 고도 약 20 - 25km 부근이지만, 실제로 온도가 가장 높은 곳은 고도 약 50km 부근이다. 이는 상층부의 오존층일수록 농도가 높은 자외선을 흡수할 수 있고, 상층일수록 공기 밀도가 낮아 온도 상승률도 크기 때문이다.
성층권이라는 명칭은 대류권처럼 교란이 있는 층이 아니라 안정된 성층이라는 인상을 주지만, 실제로는 상하 혼합과 바람이 존재한다.
3. 1. 오존-산소 순환 (채프먼 주기)
1930년 영국의 수학자이자 지구물리학자인 시드니 채프먼은 오존층 형성을 설명하는 메커니즘을 제시했는데, 이를 채프먼 주기 또는 오존-산소 주기라고 부른다.[8]
오존-산소 주기에서 분자 산소는 약 240 nm보다 짧은 파장의 UV-C 영역에서 고에너지 햇빛을 흡수한다. 균일 분해된 산소 분자에서 생성된 라디칼은 분자 산소와 결합하여 오존을 형성한다. 오존은 분자 산소보다 훨씬 빠르게 광분해되는데, 이는 태양 방출이 더 강한 더 긴 파장에서 발생하는 더 강한 흡수를 가지기 때문이다. 오존(O3) 광분해는 O와 O2를 생성한다. 산소 원자 생성물은 대기 분자 산소와 결합하여 O3를 재형성하고 열을 방출한다. 오존의 빠른 광분해 및 재형성은 성층권을 가열하여 온도 반전을 초래한다. 고도에 따른 이러한 온도 증가는 성층권의 특징이며, 수직 혼합에 대한 저항은 성층화됨을 의미한다.
시드니 채프먼은 성층권 오존의 발생원과 성층권 내에서 열을 발생시키는 능력에 대한 정확한 설명을 제시했다. 그는 또한 오존이 원자 상태의 산소와 반응하여 분자 상태의 산소 분자 2개를 생성하면서 파괴될 수 있다고 기술했다.
현재는 오존 감소에 대한 추가적인 메커니즘이 존재하며, 이러한 메커니즘이 촉매적이라는 것을 알고 있다. 즉, 소량의 촉매만으로도 많은 수의 오존 분자를 파괴할 수 있다는 것이다. 오존 감소 메커니즘은 다음과 같다.
파울 크루첸, 마리오 몰리나, 셔우드 롤런드는 성층권 오존의 생성과 분해에 대한 연구로 1995년 노벨 화학상을 수상했다.[10]
3. 2. 오존층 파괴
Sydney Chapman|시드니 채프먼영어은 성층권 오존의 발생원과 성층권 내에서 열을 발생시키는 능력에 대한 정확한 설명을 제시했다.[8] 그는 또한 오존이 원자 상태의 산소와 반응하여 분자 상태의 산소 분자 2개를 생성하면서 파괴될 수 있다고 기술했다. 현재는 추가적인 오존 감소 메커니즘이 존재하며, 이러한 메커니즘은 촉매적이다. 즉, 소량의 촉매만으로도 많은 수의 오존 분자를 파괴할 수 있다. 첫 번째 메커니즘은 수산화 라디칼(•OH)과 오존의 반응이다. •OH는 오존 광분해로 생성된 전자기적으로 여기된 산소 원자가 수증기와 반응하여 생성된다. 성층권은 건조하지만, 메탄(CH4)의 광화학적 산화에 의해 추가적인 수증기가 생성된다. OH와 O3의 반응으로 생성된 HO2 라디칼은 산소 원자 또는 오존과의 반응을 통해 OH로 재활용된다. 또한, 태양 양성자 사건은 방사선 분해를 통해 오존 수준에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 OH가 형성된다. 아산화 질소(N2O)는 지표면에서의 생물학적 활동에 의해 생성되며, 성층권에서 NO로 산화된다. 소위 NOx 라디칼 순환 역시 성층권 오존을 감소시킨다. 마지막으로, 염화 플루오린화 탄소 분자는 성층권에서 광분해되어 염소 원자를 방출하며, 이 염소 원자는 오존과 반응하여 ClO와 O2를 생성한다. 염소 원자는 ClO가 상부 성층권에서 O와 반응하거나, 남극 오존 구멍의 화학 반응에서 ClO가 자체적으로 반응할 때 재활용된다.
파울 크루첸, 마리오 몰리나, 셔우드 롤런드는 성층권 오존의 생성과 분해에 대한 연구로 1995년 노벨 화학상을 수상했다.[10]
4. 순환 및 혼합
성층권은 복사, 역학, 화학적 과정 사이의 격렬한 상호 작용이 일어나는 지역이며, 기체 성분의 수평 혼합이 수직 혼합보다 훨씬 더 빠르게 진행된다.
성층권 내 바람의 분포는 흥미로운 특징을 보인다. 성층권 하부에서는 대류권 상부의 편서풍의 영향을 받아 대체로 서풍이 분다. 성층권 상중부에서는 극 부근에서 여름에 백야 현상이 일어나는데, 여름 반구에서는 태양에 노출되는 시간이 길어져 고위도가 저위도보다 더 따뜻해진다. 이로 인해 극 부근은 고기압, 저위도는 상대적으로 저기압 상태가 된다. 따라서 고위도에서 저위도로 기압 경도력이 발생하고, 이는 코리올리 힘과 균형을 이루며 여름 반구에 동풍을 유발한다. 이를 '''성층권 편동풍'''이라고 한다. 반대로 겨울에는 극 부근이 저온, 저압 상태가 되어 저위도에서 고위도로 기류가 발생하고, 코리올리 힘을 받아 편서풍이 분다. 이를 '''성층권 편서풍'''이라고 한다. 이러한 계절에 따른 바람의 변화는 "성층권의 몬순"이라고 불리며, 성층권 편서풍과 편동풍의 최대 풍속은 약 50m/s이다.
4. 1. 브루어-돕슨 순환
성층권의 전체 순환은 브루어-돕슨 순환이라고 불리며, 열대 지방에서 극지방까지 이어지는 단일 세포 순환으로, 열대 대류권에서 공기가 상승하고, 열대 외 지역에서 공기가 하강하는 것으로 구성된다. 성층권 순환은 서쪽으로 전파되는 로스비 파의 파동력에 의해 열대 상승 기류가 유도되는 파동 주도 순환이며, 이는 로스비 파동 펌핑이라고 불리는 현상이다.[15]성층권 순환의 흥미로운 특징은 열대 위도에서 나타나는 준 2년 진동(QBO)이며, 이는 대류권에서 대류에 의해 생성되는 중력파에 의해 구동된다. 준 2년 진동은 오존[15] 또는 수증기와 같은 추적자의 전 지구적 성층권 수송에 중요한 2차 순환을 유도한다.
성층권 순환에 상당한 영향을 미치는 또 다른 대규모 특징은 중위도 지역에서 격렬한 준 수평 혼합을 초래하는 행성파의 붕괴[16]이다. 이러한 붕괴는 이 지역을 서핑 구역이라고 부르는 겨울 반구에서 훨씬 더 두드러지게 나타난다. 이러한 붕괴는 수직으로 전파되는 행성파와 극 소용돌이로 알려진 고립된 높은 잠재 와도 영역 사이의 매우 비선형적인 상호 작용으로 인해 발생한다. 그 결과 붕괴는 중위도 서핑 구역 전체에서 공기 및 기타 미량 기체의 대규모 혼합을 유발한다. 이러한 빠른 혼합의 시간 척도는 열대 지역의 상승 기류와 열대 외 지역의 하강 기류의 훨씬 더 느린 시간 척도보다 훨씬 작다.
이 순환에 더하여, 여름의 극 상공에서는 열권으로 향하는 상승 기류, 겨울의 극 상공에서는 열권으로부터의 하강 기류가 일어나고 있으며, 이것들을 함께 브루어-돕슨 순환이라고 부른다.
4. 2. 준 2년 진동 (QBO)
준 2년 진동(QBO)은 열대 위도에서 나타나는 성층권 순환의 흥미로운 특징이며, 대류권에서 대류에 의해 생성되는 중력파에 의해 구동된다.[15] QBO는 오존이나 수증기와 같은 추적자(trace)의 전 지구적 성층권 수송에 중요한 2차 순환을 유도한다.4. 3. 행성파 붕괴
성층권 순환에 상당한 영향을 미치는 또 다른 대규모 특징은 중위도 지역에서 격렬한 준 수평 혼합을 초래하는 행성파의 붕괴이다.[16] 이러한 붕괴는 이 지역을 서핑 구역이라고 부르는 겨울 반구에서 훨씬 더 두드러지게 나타난다. 이는 수직으로 전파되는 행성파와 극 소용돌이로 알려진 고립된 높은 잠재 와도 영역 사이의 매우 비선형적인 상호 작용으로 인해 발생한다. 그 결과 붕괴는 중위도 서핑 구역 전체에서 공기 및 기타 미량 기체의 대규모 혼합을 유발한다. 이러한 빠른 혼합의 시간 척도는 열대 지역의 상승 기류와 열대 외 지역의 하강 기류의 훨씬 더 느린 시간 척도보다 훨씬 작다.북반구 겨울 동안, 성층권에서 로스비 파의 흡수에 의해 발생하는 돌연 성층권 온난화는 성층권에서 동풍이 발달할 때 거의 절반의 겨울에 관찰될 수 있다. 이러한 현상은 종종 특이한 겨울 날씨[17]를 앞두며, 1960년대의 추운 유럽 겨울의 원인이 될 수도 있다.[18]
극 소용돌이의 성층권 온난화는 소용돌이를 약화시킨다.[19] 소용돌이가 강하면 차갑고 고기압의 공기 덩어리를 북극에 '가두어' 두지만, 소용돌이가 약해지면 공기 덩어리가 적도 방향으로 이동하여 중위도에서 급격한 날씨 변화를 초래한다.
4. 4. 성층권 급격 승온
북반구 겨울 동안, 성층권에서 로스비 파의 흡수에 의해 발생하는 돌연 성층권 온난화는 성층권에서 동풍이 발달할 때 거의 절반의 겨울에 관찰될 수 있다. 이러한 현상은 종종 특이한 겨울 날씨[17]를 앞두며, 1960년대의 추운 유럽 겨울의 원인이 될 수도 있다.[18]극 소용돌이의 성층권 온난화는 소용돌이를 약화시킨다.[19] 소용돌이가 강하면 차갑고 고기압의 공기 덩어리를 북극에 '가두어' 두지만, 소용돌이가 약해지면 공기 덩어리가 적도 방향으로 이동하여 중위도에서 급격한 날씨 변화를 초래한다.
이처럼 성층권은 이름처럼 성층이 아닌 대기 교란이 있다. 하지만, 위에서 언급한 것은 통상적인 계절 변화를 나타낸 것이며, 동계에 성층권 급격 승온이라는 현상이 일어났을 때에는 성층권 편서풍이 동풍이 되는 경우가 있다.
5. 성층권의 바람
성층권 하부에서는 대류권 상부의 편서풍의 영향을 받아 대체로 서풍이 불고 있다. 성층권 상중부에서는 다음과 같은 현상이 나타난다. 극 부근은 여름에 백야 현상이 일어나는데, 이때문에 여름 반구에서는 태양이 닿는 시간이 저위도·중위도보다 고위도가 길어진다. 따라서 극 부근에서는 오존층에 의해 대기가 점점 따뜻해져 고기압 상태가 되고, 저위도에서는 상대적으로 저기압이 된다. 이 때문에 고위도 측의 고기압부에서 저위도 측의 저기압부를 향해 기압 경도력이 생기고, 이는 저위도에서 고위도로 향하는 코리올리 힘과 균형을 이루며, 여름 반구에서는 동풍, 즉 편동풍이 분다. 이를 '''성층권 편동풍'''이라고 한다.[25]
겨울에는 반대 현상이 일어나 극 부근은 하루 종일 태양이 닿지 않아 저위도 부근에 비해 저온, 즉 저압이 된다. 따라서 저위도에서 고위도를 향해 기류가 생기고, 코리올리 힘을 받아 편서풍이 되는데, 이를 '''성층권 편서풍'''이라고 한다. 이러한 현상은 계절에 따라 변화하는 바람, 즉 계절풍으로 파악할 수 있으며, "성층권의 몬순"이라고도 불린다. 이 순환에 더하여 여름의 극 상공에서는 열권으로 향하는 상승 기류, 겨울의 극 상공에서는 열권으로부터의 하강 기류가 일어나는데, 이를 브루어-돕슨 순환이라고 한다. 성층권 편서풍과 성층권 편동풍 모두 최대 풍속은 약 50m/s이다.[25]
성층권은 이름과 달리 대기 교란이 존재한다. 다만, 위에서 언급한 내용은 통상적인 계절 변화를 나타낸 것이며, 겨울철 성층권 급격 승온 현상이 발생하면 성층권 편서풍이 동풍으로 바뀌는 경우도 있다.[25]
6. 항공기 비행
상업용 여객기는 일반적으로 9km에서 12km 사이의 고도에서 순항하며, 이는 온대 위도에서 성층권의 낮은 범위에 해당한다.[12] 이는 주로 대류권계면 근처의 낮은 온도와 낮은 공기 밀도, 그리고 기생 항력 감소로 인해 연료 효율을 최적화하기 때문이다. 다시 말해, 여객기가 비행기의 무게와 동일한 양력을 유지하면서 더 빠르게 비행할 수 있게 해준다. (연료 소비량은 항력에 따라 달라지며, 이는 양력 대 항력비와 관련이 있다.) 또한 항공기가 대류권의 난기류 기상 현상 위에 머물 수 있게 해준다.
콩코드 항공기는 약 약 18288.00m에서 마하 2로, SR-71은 약 25908.00m에서 마하 3으로 성층권 내에서 순항했다.
대류권계면과 낮은 성층권의 온도는 고도가 증가함에 따라 대체로 일정하기 때문에 대류와 그로 인한 난류가 거의 발생하지 않는다. 이 고도에서 발생하는 대부분의 난류는 제트 기류 및 기타 국지적 풍속 변화에 의해 발생하지만, 아래 대류권에서 상당한 대류 활동(뇌우)이 있는 지역은 대류 오버슈트의 결과로 난류를 일으킬 수 있다.
2014년 10월 24일, 앨런 유스타스는 약 41419.27m에서 유인 기구의 최고 고도 기록 보유자가 되었다.[13] 유스타스는 또한 수직 속도 스카이다이빙 세계 기록을 경신했으며, 최고 속도 1321km와 총 자유 낙하 거리 약 37616.59m를 기록했다. – 4분 27초 동안 지속되었다.[14]
7. 고층 대기 번개
고층 대기 번개는 일반적인 번개와 뇌우 구름의 고도보다 훨씬 높은 곳에서 발생하는 짧은 수명의 전기적 붕괴 현상의 일종이다. 고층 대기 번개는 전기적으로 유도된 발광 플라즈마 형태로 여겨진다. 대류권 위로 뻗어 성층권으로 들어가는 번개는 청색 제트라고 하며, 중간권까지 도달하는 번개는 붉은 스프라이트라고 한다.
8. 생명체
성층권은 생명체가 살기에 매우 혹독한 환경이지만, 일부 세균과 조류는 생존하는 것으로 알려져 있다.
8. 1. 세균
세균은 성층권에서도 생존하며, 이는 성층권이 생물권의 일부임을 시사한다.[20] 2001년, 고고도 기구 실험에서 41km 상공에서 먼지를 채집하여 실험실에서 검사한 결과, 세균 물질이 포함되어 있는 것으로 밝혀졌다.[21]8. 2. 조류
일부 조류 종은 대류권 상층부에서 비행하는 것으로 보고되었다. 1973년 11월 29일, 검은등독수리(''Gyps rueppelli'') 한 마리가 코트디부아르 상공 약 11277.60m에서 제트 엔진에 흡입되었다.[22] 흰머리오리(''Anser indicus'')는 때때로 에베레스트 산 위를 이동하는데, 그 정상은 8848m이다.[23][24]참조
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