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 제12기 국민참여기자단 / 강주은 봄이 지나고 여름이 가까워져 오면서 태양 빛이 점점 강렬해지고 있습니다. 이제 선크림을 발라 우리 피부를 보호해야 할 때입니다. 태양으로부터 모든 자외선이 우리 피부에 직접 닿는 걸까요? 또, 날씨 예보에서 대기가 불안정해 비가 올 거라는 말을 들어본 적 있으실 텐데요, 그렇다면 우리 머리 위에 있는 모든 대기가 불안정한 걸까요? 이 모든 궁금증은 바로 ‘성층권’의 특징들로 답변할 수 있습니다! 지금부터 답변의 주인공, 성층권에 대해 알아보도록 하겠습니다! ⠀ 성층권, 들어본 것 같은데? 과연 성층권이란 무엇일까요? 그 전에, 대기의 연직구조부터 알아보겠습니다. 대기는 온도 변화에 따라 총 4가지의 층으로 나눌 수 있습니다. 대류권, 성층권, 중간권 그리고 열권입니다.
대기 연직 구조 / 출처 = 에듀넷 오늘 알아볼 성층권은 지표면으로부터의 두 번째 층으로, 대류권 꼭대기인 대류권계면부터 중간권 최하단인 성층권계면까지의 층을 말합니다. 상공 10~17km부터 약 50km까지의 높이에 위치하고 있습니다. 고도는 지역마다 약간의 차이가 있는데요, 적도처럼 저위도에서는 최대 20km까지, 북극과 남극같은 고위도에서는 약 7km까지 낮아진다고 합니다. 혹시 높은 산을 올라 정상에 도착했을 때 지표면과는 다르게 추워서 덜덜 떨리던 경험이 있으신가요? 위 그림에서도 확인 할 수 있듯이 지표면에서 위로 올라갈수록 기온이 낮아지는데요, 이와 반대로 대류권계면부터 일정 고도까지는 기온이 일정하다가 성층권계면까지는 오히려 기온이 상승하는 것을 알 수 있습니다. 어떻게 된 일일까요? 바로 성층권에 밀집해있는 오존 때문입니다. 태양으로부터 오는 자외선을 흡수하는 오존 때문에 대기가 가열되는데, 이렇게 오존이 밀집해있는 ‘오존층’은 잠시 뒤에 자세히 다루도록 하겠습니다. ⠀성층권, 누가 발견했을까? 앞서 언급했듯이, 높은 산에 올라가면 올라갈수록 점점 추워지는 것을 경험해봤다면 계속 올라갈수록 더 추워질거라 생각할 텐데, 누가 성층권을 발견했을까요? 1902년 성층권을 처음 발견한 사람은 프랑스인 테스랑 드 보르입니다. 드 보르는 기구관측에 의하여 대기 중의 기온의 수직분포를 조사하였고 같은 해에 독일의 기상학자 아스만도는 밤에 실시한 기구관측을 통해 드 보르의 관측을 증명하면서 상공 11-14km에서 아래층인 대류권과는 다르게 고도에 따라 기온이 거의 일정하다는 사실을 처음으로 알렸습니다. 이후 1931년 5월 27일, 스위스의 오퀴스트 피카르는 사상 최초로 열기구를 타고 15km 상공의 성층권에 처음 진입하는 기록을 세웠습니다. 이제 성층권이 무엇인지 알았으니, 조금 더 자세히 알아볼까요? 성층권은 조용하면서도 우리 삶과 대기권에서 매우 큰 영향을 준다는 특징이 있습니다. 그럼, 차근차근 알아보겠습니다! ⠀ 작전 들어간다, 성층권에서의 비행! 성층권은 고도가 올라갈수록 기온이 상승하기 때문에 위아래층인 대류권과 중간권에 비해 안정하다는 특징이 있습니다. 또한 제트기가 날기에 적당할 정도로 공기가 희박해 항공기에 가해지는 저항을 줄일 수 있습니다. 군사용 비행기들은 저고도에서 성층권을 포함한 고고도까지 다양한 고도에서 날고 있습니다. 정찰기나 폭격기 같은 경우는 10km 이상의 고고도에서 비행합니다.
제트기와 소닉붐 / 출처 = pixabay 한때 1969년에 첫 비행을 했던 초음속 여객기인 콩코드기는 당시 다른 여객기에 비해 빠른 속도로 비행했습니다. 다른 민간기들과는 다르게 성층권에서 비행했는데, 비행할 때 발생하는 소닉붐(비행기가 음속을 돌파할 때 발생하는 충격파로 엄청나게 큰 소리)을 상당히 제거할 수 있다는 장점도 갖기 때문이었다고 합니다. 그러나 초음속을 돌파하기 위해 최대 18.3km 까지 올라가기도 했지만, 산소가 부족해 엔진 효율을 유지하기 위해서는 엄청난 양의 연료가 필요했다고 합니다. 이는 결국 콩코드기 운항 중단의 이유 중 하나로 작용하게 됩니다.
진주운 / 출처 = pixabay ⠀ 성층권에서도 구름이 나타날까? 성층권에서도 대류권처럼 구름이 만들어질까요? 성층권은 수증기가 매우 희박해서 구름이 거의 나타나지 않습니다. 하지만, 극지방에서 상공 20~30km에서 태양이 수평선 아래에 있을 때‘자개구름(진주운)’이 발생하기도 합니다. 일출과 일몰 시 태양빛을 산란시켜 아름다운 색깔이 나타납니다. 이 구름은 극지방의 겨울에 -78℃ 이하부터 발생합니다. ⠀아이고 추워, 성층권 돌연승온 때문에? 성층권 돌연승온은 겨울 막바지부터 봄 동안 기온이 약 40℃ 정도 급격히 상승하는 현상입니다. 이 돌연승온으로 인해 극 소용돌이가 무너지고, 제트기류까지 약해지면서 북극 한기를 막지 못해 중위도까지 한기가 내려와 한파가 찾아오기도 합니다. 돌연승온에 대해 더 자세히 알아보기 위해서는 아래 기상청 포스팅을 참고해주세요! ▼▼성층권 돌연승온 알아보기▼▼
출처 = pixabay 산에서 밥을 지으면 밥이 설익게 되는데요, 고도가 높아질수록 기압이 낮아져 물의 끓는 점도 내려가기 때문입니다. 여기서 산보다 더 높이 올라가 보도록 하겠습니다. 굉장히 높이 올라가다 보면 기압은 점점 더 낮아지고 물의 끓는 점도 같이 낮아지게 되겠죠? 18,900~19,350m에 도착하면 사람의 체온 정도에서 물이 끓게 됩니다. 바로 성층권에 포함된 고도입니다. 이 현상을 처음 인식한 암스트롱의 이름을 따서 이 고도를‘암스트롱 한계(Armstrong limit)’라고 합니다. 우주에서 우주복이 필요한 많은 이유 중 하나를 아시겠죠? ⠀자외선을 막아줘, 성층권! 성층권에는 자외선을 흡수하는 오존이 밀집해있다고 언급했었는데요, 상공 약 25km 내외에‘오존층’이 존재합니다. 정말 많이 들어보셨겠지만, 정확하게 오존층이 무엇이고 어떻게 생성되는지 그리고 왜 중요한지 알아보겠습니다. 1953년에 프랑스 물리학자 패브리(Charles Fabry)와 뷔슨(Henri Buisson)이 오존층을 처음으로 발견했습니다. 대부분의 오존은 광화학적 과정을 통해 생성됩니다. 오존은O3로 산소 원자 3개가 결합해 만들어진다는 것을 알 수 있는데요. 좀 더 자세히 알아보겠습니다.
출처 = pixabay 보통 산소 분자 O2는 0.24㎛ 이하의 자외선에 노출되면 산소 원자 O로 분리가 됩니다. "O2 + 빛에너지(< 0.24㎛) → O + O" 중성 분자 M을 촉매로 산소 분자 O2와 산소 원자 O가 결합해 오존분자가 됩니다. "O2 + O + M → O3 + M" 그런데 오존은 불안정한 구조이고, 생물체에 유해한 0.2~0.3㎛의 파장의 자외선을 흡수하면서 다시 O2와 O로 분리되기도 합니다. " O3 → O + O2" 그리고 여기서 산소 분자가 다른 오존분자와 만나 2개의 산소 분자가 됩니다. " O3 + O → O2" 이런 과정으로 오존은 계속해서 생성하고 분리되면서 오존의 양이 일정하게 유지됩니다. 특히 상공 약 25km에서 O와 M, O2가 부딪힐 가능성이 가장 높기 때문에 25~30km에서 오존층이 생성됩니다. 사실 대기 중 오존의 90%라고 하면 매우 많아 보이지만, 두께로 환산하면 고작 3mm밖에 하지 않습니다. 그럼에도, 오존층은 엄청난 역할을 하고 있습니다. 오존층은 자외선을 흡수하기 때문에 생성된다고 설명했는데요, 태양으로부터 오는 자외선들은 파장에 따라 나누었을 때 UV-A(0.32~0.4㎛), UV-B(0.28~0.32㎛), UV-C(0.2~0.29㎛) 중에서 생명체에 유해한 영향을 주는 자외선은 UV-B, UV-C입니다. 가장 유해한 UV-C는 오존층에서 거의 완벽히 흡수되고, 다음으로 유해한 UV-B는 오존층에서 약 95%정도 흡수됩니다. UV-A는 오존층에 의해 완전히 흡수되지는 않고, 생명체에 미치는 영향은 상대적으로 적지만 잠재적으로 유전자의 손상을 일으킵니다. 유해한 자외선의 세기가 증가할수록 피부암과 백내장이 생기고, 더 나아가 식물성 플랑크톤의 감소로 인한 먹이사슬의 붕괴와 같이 인류뿐만 아닌 동식물 전체가 피해를 보게 됩니다. 오존층이 그런 자외선을 막는 정말 큰 역할을 하고 있습니다. 그런데 이런 오존층이 파괴되고 있다는 소식도 정말 많이 들어보셨을 텐데요, 아래 포스트에서 더 자세히 알아볼까요? ▼▼오존층 파괴 더 알아보기▼▼ 오늘은 대기의 연직 구조 중 성층권에 대해 알아보았습니다. 제트기의 운항 경로, 겨울철 한파의 원인인 성층권 돌연승온 그리고 자외선 차단으로 생명체를 보호하는 오존층 존재까지! 우리 생활 속 여기저기에서 많은 영향을 주고 있는 성층권이었다는 것! 곧 다가올 여름에 선크림을 바르실 때 한 번쯤 하늘을 바라보면서 성층권의 이모저모를 떠올려보시는 것도 좋겠습니다.
참고문헌 기상학백과; 성층권 천문학백과; 성층권 두산백과; 성층권, 오존층 세계 탐험사 100장면; 성층권의 비밀을 풀다 아사아경제; [과학을읽다]항공기마다 순항고도가 다른 이유 (2018.07.13.) Met Office; Nacreous clouds 사이언스타임스; 생물 번성의 토대가 된 ‘오존층’(2019.05.03.) 온케이웨더 :[날씨이슈] 봄철 구름 낀 날에도 “자외선 조심하세요~” 사진출처 에듀넷 pixabay
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오존층이 성층권에 있는 이유 - ojoncheung-i seongcheung-gwon-e issneun iyu
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