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역전층

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1. 개요

역전층은 대류권 내에서 고도가 높아질수록 기온이 오히려 높아지는 현상을 말한다. 일반적인 대기 상태와 반대되는 기온 분포를 보이며, 공기의 연직 운동을 억제하여 대기 오염 물질의 확산을 막아 스모그를 유발하는 등 다양한 기상 현상에 영향을 미친다. 역전층은 복사 냉각, 이류, 침강, 전선 형성 등 다양한 원인에 의해 발생하며, 신기루, 녹색 광선, 전파 굴절, 음파 전달, 충격파 반사 등 여러 가지 기상 및 물리 현상과 관련이 있다.

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역전층
개요
정의대기 성질의 고도에 따른 변화가 일반적인 상태와 반대로 나타나는 현상
설명일반적으로는 고도가 높아질수록 기온이 낮아지지만, 역전층에서는 반대로 기온이 상승함
원인 및 유형
지표면 냉각에 의한 역전맑은 날 밤, 지표면이 복사 냉각되어 공기가 냉각되면서 발생
침강 역전고기압 하강 기류에 의해 공기가 압축되면서 발생
전선 역전따뜻한 공기가 차가운 공기 위로 이동하면서 발생
해상 역전차가운 해수면 위로 따뜻한 공기가 이동하면서 발생
계곡 역전산으로 둘러싸인 계곡에서 냉각된 공기가 가라앉으면서 발생
영향
대기 오염 심화대기 확산이 억제되어 오염 물질이 축적됨. NASA 지구 관측소에 따르면, 역전 현상으로 인해 미국 애리조나주의 협곡에 스모그가 가득 찼음.
안개 발생습도가 높은 공기가 냉각되어 응결되면서 발생
항공 안전 문제갑작스러운 온도 변화로 인해 항공기 운항에 위험을 초래할 수 있음
기타
관련 용어등온층

2. 역전층의 형성 원리

대류권에서는 일반적으로 고도가 높아질수록 지구 복사 에너지의 양이 감소하여 기온이 낮아진다. 이로 인해 상층은 기온이 낮고 하층은 기온이 높아 대류가 활발하게 일어난다. 하지만 특정 조건에서는 고도가 높아짐에 따라 기온이 오히려 높아지는 구간이 나타나는데, 이를 역전층이라고 한다. 역전층에서는 하층의 기온이 낮고 상층의 기온이 높아 공기의 연직 운동이 억제되어 안정한 층이 형성된다. 이로 인해 대류나 확산 운동이 제한되어 수증기나 먼지 등의 양이 역전층을 경계로 달라지는 경우가 많으며, 대기 오염 물질이 역전층에 갇혀 스모그 현상과 같은 대기 오염을 유발하기도 한다.

역전층은 생성 원인에 따라 다음과 같이 나뉜다.


  • 복사 역전층: 맑고 바람이 약한 날 밤, 지표면 복사 냉각으로 발생한다.
  • 침강 역전층: 고기압 중심부에서 하강 기류로 인해 공기가 단열 압축되어 발생한다.
  • 이류 역전층: 따뜻한 공기가 차가운 지표면이나 해수면 위로 이동하면서 발생한다.
  • 전선 역전층: 온난 전선이나 한랭 전선과 같이 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 올라갈 때 발생한다.
  • 분지 냉각: 차가운 공기가 주변 산 사면을 따라 하강하여 분지의 바닥에 고이게 되어 발생한다.


높이(세로축)와 온도(가로축)의 관계는 정상적인 대기 상태(검은색 선)를 보인다. (A-B) 지점의 층이 건조 단열적으로 하강하면, (C-D) 지면 근처에서 볼 수 있는 역전층이 나타난다.


2015년 12월 클라겐푸르터 분지(오스트리아): 산에는 뚜렷한 역전 상고대 경계가 있다.


일반적으로 대류권에서는 지표면이 태양 복사에 의해 가열되고, 이 열이 대류를 통해 상층으로 전달된다.[3] 또한, 고도가 높아질수록 기압이 낮아져 단열 팽창으로 인해 기온이 하강한다. 하지만, 더 따뜻하고 덜 밀도가 높은 공기 덩어리가 더 차갑고 밀도가 높은 공기 덩어리 위로 이동하거나, 해양 용승 지역, 지표면 복사량이 태양 복사량보다 많은 밤이나 겨울철에는 역전층이 발생할 수 있다. 겨울철 극지방에서는 육지 위에서 거의 항상 역전층이 존재한다.

더 따뜻한 공기 덩어리가 더 차가운 공기 덩어리 위로 이동하면 캡핑 역전이 발생하여 대류를 차단할 수 있다.[4] 그러나 이 캡이 파괴되면 심한 뇌우가 발생할 수 있으며, 미국 중서부에서 토네이도 발생에 앞서 나타나는 현상이다. 넓은 지역에서 공기가 점차 하강하여 단열 압축으로 인해 따뜻해지면 상공에서 역전층이 발달할 수 있으며, 이는 아열대 고기압과 관련이 있다.[5]

2. 1. 복사 역전층

맑고 바람이 약한 날 밤, 지표면이 복사 냉각으로 급격히 냉각되면서 지표 부근의 공기가 상층의 공기보다 차가워져 형성된다.[4] 이러한 현상은 안개 발생을 동반하기도 한다. 복사 역전층은 춥고 긴 겨울 밤, 맑은 하늘에서 지표가 장파 복사를 방출할 때 발생하며, 고위도 지역일수록 잘 나타난다. 겨울철 한국에서 자주 발생하며, 특히 분지 지형에서는 더욱 뚜렷하게 나타난다.

2. 2. 침강 역전층

고기압권에서는 공기가 아래로 내려오는 하강 기류가 발생하는데, 이때 공기가 압축되면서 온도가 올라간다. 이렇게 상층의 온도가 하층보다 높아지는 현상을 침강 역전층이라고 한다. 침강 역전은 주로 아열대 고기압의 영향을 받는 지역에서 발생하며, 한국에서는 여름철 북태평양 고기압의 가장자리에 들 때 나타날 수 있다.[4][5]

2. 3. 이류 역전층

차가운 지표면이나 해수면 위로 따뜻한 공기가 흘러 들어오면, 아래쪽 공기가 냉각되어 상층의 기온보다 낮아지는 이류 역전층이 발생한다. 이러한 현상은 해안 지역에서 차가운 바다 위로 바람이 불 때 자주 나타난다. 이류 역전은 일 년 중 언제든지 발생할 수 있지만, 주로 밤에 짧은 시간 동안 나타난다. 한국에서는 봄철에 따뜻한 남서풍이 불 때 서해안 지역에서 이류 역전층이 나타날 수 있다.[4]

2. 4. 전선 역전층

전선 역전층은 따뜻한 공기가 찬 공기 위로 올라가면서 발생하는 역전층이다. 온난 전선이나 한랭 전선 부근에서 주로 나타난다.[4] 전선을 따라서 발생하는 역전층이기 때문에 전선의 이동 속도가 느려지면 역전층이 정체되어 대기 오염을 악화시킬 수 있다.

2. 5. 분지 냉각

분지의 기온역전은 차가운 공기가 주변 산 사면을 따라 하강하여 분지의 바닥에 고이게 되어 발생하며, 분지 냉각 역전(cold-drainage inversions)이라고 부른다.[14]

3. 역전층의 영향

역전층은 대류권에서 고도가 높아짐에 따라 기온이 낮아지는 일반적인 현상과 반대로, 고도가 높아질수록 기온이 높아지는 층을 말한다. 역전층은 대기를 안정시켜 대류를 억제하고, 대기 오염 물질을 가두는 등 다양한 영향을 미친다.

역전층에서는 하층의 기온이 낮고 상층의 기온이 높아 밀도 차이로 인해 공기의 연직 운동이 일어나지 않는다. 따라서 대류나 확산 운동이 제한되어 역전층을 경계로 수증기나 먼지 등의 양이 달라지는 경우가 많다.[4] 역전층에서 대기 오염물질이 생성되면 지속적으로 머무르게 되어 스모그 현상과 같은 대기 오염이 나타난다.

역전층은 넓은 지역에서 공기가 점차 하강하여 단열 압축으로 인해 따뜻해지면서 상공에서 발달할 수 있는데, 이는 주로 아열대 고기압과 관련이 있다.[5]

공기 온도가 상승하면 공기의 굴절률이 감소한다. (더운 공기가 덜 밀도가 높다는 부작용) 역전층에서는 정상적인 패턴과 반대로 멀리 있는 물체가 늘어나거나 지평선 위에 있는 것처럼 보이는데, 이는 신기루 현상으로 이어진다.

역전층은 초단파 전파를 굴절시켜 안개 낀 밤에도 먼 거리에서 FM 라디오를 듣거나 VHF 저대역 텔레비전 방송을 시청할 수 있게 한다. 이러한 현상을 대류권 도파라고 한다.

역전층이 존재할 경우, 지상에서 발생한 소리나 폭발음은 온도 구배에 의해 굴절되어 지상으로 되돌아온다. 따라서 소리는 평상시보다 훨씬 더 잘 전달된다. 폭발로 인한 충격파는 역전층에 의해 반사되어 더 큰 피해를 유발할 수 있다.

3. 1. 대기 오염

역전층은 대기 오염 물질의 확산을 막아 짙은 스모그를 발생시킨다. 특히 도시는 농촌 지역보다 열 질량이 높고 더 많은 대기 오염 물질을 생성하기 때문에 역전층의 영향이 더 크게 나타난다. 도시가 언덕이나 산으로 둘러싸여 있으면 공기 순환에 추가적인 장벽이 형성되어 오염 물질 농도가 더욱 높아진다.[6]

심각한 역전층이 발생하면 갇힌 대기 오염 물질은 호흡기 문제를 일으킬 수 있는 갈색 스모그를 형성한다. 1952년 런던 스모그는 역전층으로 인한 대기 오염의 심각성을 보여주는 대표적인 사례로, 약 10,000명에서 12,000명의 사망자를 발생시킨 것으로 추정된다.[6]

2017년 폴란드 노바 루다에서 역전층으로 인해 발생한 스모그


말레이시아 사바 타와우 근처 이른 아침의 역전층 현상으로, 팜유 공장에서 배출된 연기가 지면에 가까이 머물렀다. 바람은 사진 오른쪽 중간에 있는 인근 정착지 방향으로 연기를 날렸다 (2023년 8월).

3. 2. 기상 현상

적절한 조건에서, 일반적인 수직 온도 기울기가 역전되어 지표면 근처의 공기가 더 차가워진다. 이러한 현상은 더 따뜻하고 밀도가 낮은 공기가 더 차갑고 밀도가 높은 공기 위로 이동할 때 발생할 수 있다. 이러한 유형의 역전층은 온난 전선 근처와 미국 캘리포니아 해안과 같은 해양 용승 지역에서도 나타난다. 더 차가운 층에 충분한 습도가 있으면, 역전층 아래에 안개가 만들어진다.[4] 또한 밤이나 겨울철처럼 태양이 하늘에 낮게 떠 있어 지표면에서 방출되는 복사량이 태양으로부터 받는 복사량보다 많을 때 역전층이 발생한다. 이러한 효과는 대양이 열을 훨씬 더 오래 유지하기 때문에 육지 지역에 국한된다. 겨울철 극지방에서는 육지 위에서 거의 항상 역전층이 존재한다.

더 따뜻한 공기 덩어리가 더 차가운 공기 덩어리 위로 이동하면 더 차가운 공기 덩어리에 존재할 수 있는 대류를 "차단"할 수 있는데, 이를 캡핑 역전이라고 한다. 그러나 이 캡핑 역전이 극한의 대류나 전선, 산맥의 영향으로 파괴되면, 풍선이 터지는 것과 같이 갇혀있던 대류 에너지가 갑작스럽게 방출되어 심한 뇌우를 초래할 수 있다. 이러한 캡핑 역전은 미국 중서부에서 토네이도 발생에 앞서 나타난다.[4]

220px의 일종인 파타 모르가나는 역전층 때문에 발생한다 (2008년).|thumb]]

thumb 상하이의 겨울철 스모그 (1993년).]]

thumb 브라티슬라바의 역전층, 노비 모스트 꼭대기에서 바라본 모습 (2005년).]]

온도 역전층은 대기 대류를 막아 대기 오염 물질의 농도를 높인다. 특히 도시는 많은 대기 오염 물질을 생성하고 농촌 지역보다 열 질량이 높아 온도 역전층의 영향을 받기 쉽다. 그 결과 오염 물질 농도가 높은 역전층이 더 자주 발생한다. 도시가 언덕이나 산으로 둘러싸여 있으면 공기 순환에 장벽이 더해져 영향이 커진다. 심각한 역전층 동안 갇힌 대기 오염 물질은 호흡기 문제를 일으킬 수 있는 갈색 스모그를 형성한다. 영국 런던에서 발생한 1952년 런던 스모그는 이러한 역전층의 가장 심각한 사례 중 하나로, 약 10,000명에서 12,000명의 사망자를 발생시킨 것으로 추정된다.[6]

역전층은 적운이 응축될 수 있지만 역전층 아래에서만 퍼질 수 있을 정도로 높은 고도에 있을 수 있다. 이는 지표면에 도달하는 햇빛의 양을 줄이고 새로운 열이 형성되는 것을 막는다. 구름이 흩어지면 맑은 날씨가 흐린 날씨를 대체하는 주기가 하루에 여러 번 발생할 수 있다.

굴절률 ''n''이 다른 공기로 인한 신기루


공기의 온도가 상승하면 공기의 굴절률이 감소하는데, 이는 더운 공기가 덜 밀도가 높다는 부작용 때문이다. 일반적으로 이것은 멀리 있는 물체가 수직으로 짧아지는 결과를 초래하며, 석양에 태양이 타원형으로 보일 때 쉽게 볼 수 있는 현상이다. 역전층에서는 정상적인 패턴이 반전되어 멀리 있는 물체가 늘어나거나 지평선 위에 있는 것처럼 보이는데, 이는 신기루 또는 파타 모르가나로 알려진 현상으로 이어진다.

역전층은 소위 "녹색 광선"을 증폭시킬 수 있는데, 이는 일출 또는 일몰 시에 발생하며 일반적으로 몇 초 동안 보이는 현상으로, 분산으로 인해 태양의 녹색 빛이 분리된다.[7] 더 짧은 파장이 가장 많이 굴절되며, 햇빛의 파란색 성분은 "레일리 산란에 의해 완전히 흩어져" 녹색이 태양 원반의 윗부분에서 처음 또는 마지막으로 보이는 빛이 된다.[8]

3. 3. 전파 및 음파

역전층은 초단파 전파를 굴절시켜 안개 낀 밤에도 먼 거리에서 FM 라디오를 듣거나 VHF 저대역 텔레비전 방송을 시청할 수 있게 한다. 일반적으로 위로 굴절되어 우주로 사라지는 신호가 온도 역전 경계층에 의해 지구를 향해 굴절되기 때문이다. 이러한 현상을 대류권 도파라고 한다. 가을과 봄철 해안가에서는 전파 손실 감소로 인해 여러 방송국 신호가 동시에 존재하여 많은 FM 라디오 방송국에서 수신을 방해하는 심각한 신호 저하 현상이 발생하기도 한다.[9]

마이크로파와 같은 더 높은 주파수에서는 이러한 굴절로 인해 다중 경로 전파 및 페이딩이 발생한다.

역전층이 존재할 경우, 지상에서 발생한 소리나 폭발음은 온도 구배(음속에 영향을 미침)에 의해 굴절되어 지상으로 되돌아온다. 따라서 소리는 평상시보다 훨씬 더 잘 전달된다. 이는 공항 주변 지역에서 두드러지게 나타나는데, 이륙하거나 착륙하는 항공기 소리가 다른 시간대보다 해뜰 무렵에 더 먼 거리에서 들리는 경우가 많다. 또한 역전 뇌우의 경우, 일반적인 조건에서 번개에 의해 발생하는 소리보다 훨씬 더 크고 멀리 전달된다.[9]

3. 4. 충격파

폭발로 인한 충격파는 역전층에 의해 반사되어 더 큰 피해를 유발할 수 있다. 이 현상으로 인해 소련의 RDS-37 핵실험 당시 건물이 붕괴되면서 2명이 사망했다.[10][11]

참조

[1] 웹사이트 Smoke Filled Canyons, Arizona https://earthobserva[...] NASA Earth Observatory
[2] 웹사이트 Glossary https://forecast.wea[...] NOAA's National Weather Service 2024-07-30
[3] 서적 Cambridge International A and AS Level Geography Hodder Education 2011
[4] 서적 Urban Climates https://doi.org/10.1[...] Cambridge University Press 2017-06-21
[5] 서적 Atmospheric Science: An Introductory Survey 2006
[6] 학술지 A Retrospective Assessment of Mortality from the London Smog Episode of 1952: The Role of Influenza and Pollution 2004-01-01
[7] 학술지 Observing the green flash in the laboratory https://iopscience.i[...] 2017-12-13
[8] 학술지 Observing the green flash in the laboratory https://iopscience.i[...] 2017-12-13
[9] 보고서 User's guide for the Sound Intensity Prediction System (SIPS) as installed at the Naval Explosive Ordnance Disposal Technology Division (Naveodtechdiv) https://apps.dtic.mi[...] DTIC.mil 2000-02-01
[10] 웹사이트 RDS-37 Nuclear Test, 1955 http://www.johnstons[...] 2014-04-11
[11] 웹사이트 RDS-37: The Soviet Hydrogen Bomb http://www.atomicarc[...] 2015-12-26
[12] 뉴스 車の排ガスだけではない!ノルウェーの大気汚染の原因は冬将軍?なぜ注意喚起が連日続くのか https://news.yahoo.c[...] yahoo!ニュース 2017-01-29
[13] 서적 McKnight의 자연지리학 : 경관에 대한 이해 2011
[14] 서적 고등학교 한국지리 2011



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