우리는 공기로 가득 찬 바다 밑바닥에 살고 있습니다. 대기권은 지구 표면에서 수백 킬로미터 위까지 뻗어 있으며, 우리에게 숨 쉴 공기를 제공하고 태양의 유해한 복사선을 막아주며 적절한 온도를 유지시켜 줍니다. 대기가 없다면 지구는 달처럼 황량한 행성이 되어 생명이 존재할 수 없습니다. 대기는 균일한 층이 아니라 고도에 따라 온도, 밀도, 구성이 다른 여러 층으로 나뉩니다. 우리가 사는 대류권, 오존층이 있는 성층권, 유성이 타는 중간권, 오로라가 나타나는 열권, 그리고 우주로 이어지는 외기권까지 각 층은 독특한 특징을 가지고 있습니다. 비행기는 성층권 아래를 날고, 우주정거장은 열권에 있으며, 인공위성은 더 높은 궤도를 돌고 있습니다. 이 글에서는 대기의 각 층이 어떤 특징을 가지는지, 왜 이렇게 층이 나뉘는지, 그리고 각 층에서 어떤 현상이 일어나는지 상세히 알아보겠습니다.
대기의 기본 구조와 조성
대기는 중력에 의해 지구 주위에 붙잡혀 있는 기체의 층입니다. 대기의 총 질량은 약 5천조 톤이며, 이 중 99퍼센트가 지표면에서 30킬로미터 이내에 집중되어 있습니다. 고도가 높아질수록 대기 밀도는 급격히 감소합니다. 대기의 화학 조성은 고도 약 100킬로미터까지는 거의 일정합니다. 질소가 78퍼센트, 산소가 21퍼센트를 차지하며, 나머지 1퍼센트는 아르곤, 이산화탄소, 수증기, 기타 미량 기체로 이루어져 있습니다. 이 영역을 균질권이라고 합니다. 대기의 기체들이 잘 섞여 있어 조성이 균일합니다. 100킬로미터 이상의 고도에서는 중력에 의한 분리가 일어나 무거운 기체는 아래에, 가벼운 기체는 위에 층을 이룹니다. 이 영역을 비균질권이라고 하며, 헬륨과 수소가 주성분입니다. 대기는 온도 변화에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나뉩니다. 각 층의 경계를 권계면이라고 부르며, 대류권계면, 성층권계면, 중간권계면이 있습니다. 온도가 변하는 패턴이 각 층을 구분하는 기준입니다. 어떤 층에서는 고도가 올라갈수록 온도가 낮아지고, 어떤 층에서는 높아집니다. 이러한 온도 변화는 태양 복사 에너지의 흡수와 방출, 대기 순환과 밀접한 관련이 있습니다.
대류권 - 날씨가 만들어지는 곳
대류권은 지표면에서 시작하여 평균 약 11킬로미터 높이까지 이어지는 대기의 가장 낮은 층입니다. 대류권의 두께는 위도에 따라 다릅니다. 적도 지방에서는 약 18킬로미터까지 올라가지만, 극지방에서는 약 8킬로미터에 불과합니다. 이는 적도 지방이 더 따뜻하여 공기가 더 많이 팽창하기 때문입니다. 대류권은 대기 전체 질량의 약 75퍼센트를 포함하며, 거의 모든 수증기가 이 층에 존재합니다. 대류권의 가장 큰 특징은 고도가 올라갈수록 온도가 낮아진다는 것입니다. 평균적으로 1킬로미터 올라갈 때마다 약 6.5도씩 기온이 떨어집니다. 이를 기온 감률이라고 합니다. 지표면은 태양 복사를 흡수하여 가열되고, 이 열이 대기로 전달됩니다. 따라서 지표면에 가까울수록 따뜻하고 높이 올라갈수록 차가워집니다. 대류권에서는 활발한 대류 현상이 일어납니다. 지표면에서 가열된 따뜻한 공기가 상승하고, 상층의 차가운 공기가 하강하면서 수직 순환이 발생합니다. 이러한 대류 때문에 대류권이라는 이름이 붙었습니다. 모든 날씨 현상이 대류권에서 일어납니다. 구름, 비, 눈, 안개, 천둥, 번개, 태풍, 토네이도 등 우리가 경험하는 기상 현상은 모두 대류권에서 발생합니다. 수증기가 대류권에 집중되어 있어 구름이 형성되고 강수가 일어날 수 있습니다. 대류권의 꼭대기인 대류권계면에서는 온도가 가장 낮아집니다. 평균 영하 50도에서 영하 60도까지 내려갑니다. 대류권계면은 대류의 상한선 역할을 하며, 적란운 같은 거대한 구름도 대류권계면을 뚫고 올라가지 못합니다. 제트기류는 대류권계면 부근에서 부는 강한 바람의 띠로, 서쪽에서 동쪽으로 시속 수백 킬로미터의 속도로 흐릅니다. 비행기는 제트기류를 이용하여 연료를 절약하고 비행시간을 단축합니다.
성층권 - 오존층의 보호막
성층권은 대류권계면 위, 약 11킬로미터에서 50킬로미터 고도까지 이어집니다. 성층권의 가장 큰 특징은 고도가 올라갈수록 온도가 높아진다는 것입니다. 대류권과 정반대의 온도 분포를 보입니다. 성층권 하부는 영하 60도 정도로 차갑지만, 상부는 영하 3도까지 올라갑니다. 이러한 온도 역전 현상은 오존층 때문입니다. 성층권의 20킬로미터에서 30킬로미터 고도에 오존이 집중된 층이 있습니다. 오존은 산소 원자 세 개가 결합한 분자로, 태양의 자외선을 흡수하는 성질이 있습니다. 자외선이 오존에 흡수되면서 에너지가 열로 바뀌어 성층권을 가열합니다. 자외선 중 가장 위험한 UV-C는 거의 완전히 차단되고, UV-B의 대부분도 흡수됩니다. 만약 오존층이 없다면 강한 자외선이 지표면에 도달하여 생명체에 심각한 피해를 줄 것입니다. 피부암, 백내장, 면역 저하 등이 증가하고 식물의 광합성도 방해받습니다. 1980년대 남극 상공에서 오존층에 구멍이 발견되었습니다. 냉장고와 에어컨에 사용되던 프레온 가스가 성층권으로 올라가 오존을 파괴한 것입니다. 국제 사회는 몬트리올 의정서를 체결하여 프레온 가스 사용을 금지했고, 현재 오존층은 서서히 회복되고 있습니다. 성층권은 안정적인 층입니다. 온도가 고도에 따라 증가하므로 따뜻한 공기가 위에, 차가운 공기가 아래에 있어 대류가 일어나지 않습니다. 공기가 수평 방향으로 층을 이루며 흐르기 때문에 성층권이라는 이름이 붙었습니다. 이러한 안정성 때문에 성층권에는 구름이 거의 형성되지 않고 날씨 변화가 없습니다. 일부 대형 여객기는 성층권 하부를 비행합니다. 대류권의 난기류와 악천후를 피하고 안정적인 비행을 할 수 있기 때문입니다. 초음속 여객기 콩코드는 성층권 중간 높이인 18킬로미터를 날았습니다.
중간권, 열권, 외기권
중간권 - 가장 추운 곳
중간권은 성층권 위, 약 50킬로미터에서 80킬로미터 고도에 위치합니다. 중간권에서는 다시 고도가 올라갈수록 온도가 낮아집니다. 중간권계면, 즉 중간권의 꼭대기는 대기 중 가장 추운 곳으로 영하 90도까지 내려갑니다. 여름철 극지방에서는 영하 130도까지 떨어지기도 합니다. 중간권에서 온도가 낮아지는 이유는 이 층에 에너지를 흡수할 오존이 거의 없고, 아래에서 올라오는 열도 성층권에서 차단되기 때문입니다. 중간권은 관측하기 어려운 층입니다. 비행기가 날기에는 너무 높고, 인공위성이 돌기에는 너무 낮아서 직접 관측이 어렵습니다. 로켓으로 단시간 관측하거나 레이더로 간접 관측하는 방법이 주로 사용됩니다. 유성이 타는 것도 중간권에서 일어나는 현상입니다. 우주에서 날아온 작은 암석 조각이 중간권에 진입하면 공기와의 마찰로 불타면서 빛을 냅니다. 우리가 보는 별똥별은 대부분 중간권에서 발생합니다. 야광운이라는 신비한 구름도 중간권에서 나타납니다. 여름철 고위도 지역에서 해가 진 후 볼 수 있는 은빛 구름으로, 중간권의 얼음 결정이 햇빛을 반사하여 빛납니다.
열권과 외기권 - 우주와의 경계
열권은 약 80킬로미터에서 500킬로미터 이상 고도에 이어지는 층입니다. 열권에서는 고도가 올라갈수록 온도가 급격히 상승합니다. 낮에는 1500도 이상까지 올라갈 수 있습니다. 이렇게 뜨거운 이유는 태양의 X선과 극자외선이 이 층의 산소와 질소 분자를 이온화시키면서 에너지를 방출하기 때문입니다. 하지만 공기 밀도가 극히 낮아 실제로 열을 느낄 수는 없습니다. 온도는 높지만 열에너지의 총량은 적습니다. 열권은 전리층과 겹칩니다. 전리층은 태양 복사에 의해 기체 분자가 이온화된 층으로, 전기를 띤 입자들이 많습니다. 전리층은 전파를 반사하는 성질이 있어 장거리 무선 통신을 가능하게 합니다. 라디오 전파가 전리층에 반사되어 지평선 너머로 전달될 수 있습니다. 오로라는 열권에서 나타나는 아름다운 현상입니다. 태양에서 날아온 고에너지 입자들이 지구 자기장에 이끌려 극지방 열권으로 들어와 대기의 산소와 질소 원자를 들뜨게 만듭니다. 들뜬 원자들이 원래 상태로 돌아갈 때 빛을 내는데, 이것이 오로라입니다. 산소는 녹색과 붉은색, 질소는 청색과 보라색 빛을 냅니다. 국제우주정거장은 약 400킬로미터 고도의 열권을 돌고 있습니다. 이 고도에서도 미세한 대기 저항이 있어 정기적으로 궤도를 올려줘야 합니다. 외기권은 약 500킬로미터 이상의 고도로, 대기가 우주 공간으로 점차 사라지는 영역입니다. 공기 분자가 너무 희박하여 서로 충돌하는 일이 거의 없습니다. 일부 분자는 충분한 속도를 얻으면 지구의 중력을 벗어나 우주로 날아갑니다. 외기권의 바깥 경계는 명확하지 않으며, 약 1만 킬로미터까지 이어진다고 봅니다. 대기는 지구 생명을 보호하는 얇고 소중한 막입니다. 우주에서 본 지구의 대기는 사과 껍질만큼 얇아 보입니다. 이 연약한 대기를 오염과 파괴로부터 지키는 것은 인류의 생존을 위해 필수적입니다.