대기과학(Atmospehric Science) 문답 #1. Earth & Its Atmospehre

#1. 영구 기체와 변량 기체의 차이점에 대하여 서술하시오. 그들은 각각 지구에서 어떤 기능을 하는가?

비교적 전 지구적으로 그 총량이 일정하게 유지되며 국지적 변동이 극심하지는 않은 대기 중 기체 종을 영구 기체라 한다. 영구 기체의 대표적인 예시로는 산소($O_2$)나 질소($N_2$) 기체 등이 있으며, 이들은 주로 생명체의 물질 대사에 중대한 역할을 담당한다. 이들 변량 기체의 경우는 안정하기 때문에 그 총량이 비교적 일정하게 유지되는 것은 아니고, 전 지구적으로 동적 평형 상태를 이룬다. 반면 영구 기체에 비하여 지구적 변동이 있으며 시간과 장소에 따라 국지적으로 극심하게 변하는 대기 중의 기체 종을 변량 기체라 한다. 변량 기체의 대표적인 예시로는 수증기($H_{2}O$)나 이산화탄소($CO_2$), 오존($O_3$), 메테인($CH_4$), 에어로졸(Aerosols) 등이 있으며, 이들은 기상 현상에 중대한 영향을 미친다.

#2. 대표적인 변량 기체들에 해당하는 수증기, 이산화탄소, 오존, 메테인, 에어로졸을 설명하고, 이들의 지구 기온 변화에 미치는 영향을 설명하시오.

수증기의 경우는 가장 양이 많고 지구의 장파 복사를 재흡수 및 방출하는 주요 온실 기체 중의 하나이다. 기상 현상을 일으키는 주요한 변량 기체이기도 하다. 그러나 수증기의 경우는 다른 기체와는 달리 산업 혁명 이후에도 그 양이 크게 변동하지는 않았으므로 주요한 온실 기체로 지적되지는 않는다. 반면 이산화탄소의 경우에는 산업 혁명 이후 크게 증가하였으며, 현재는 그 대기 중의 농도가 400ppm에 이를 정도에 달한 온실 기체이다. 오존의 경우에는 성층권에 있는 경우에는 오존의 자외선 흡수 및 해리로 인하여 UV-B와 UB-C 광선을 흡수함으로써 지상의 생물을 고에너지광인 자외선으로부터 보호해주지만, 지상에 있는 경우에는 생물체의 눈과 호흡 계통에 장애를 일으킬 수 있는 독성 기체로 대기 오염 물질로 분류된다. 메테인의 경우에는 이산화탄소에 의한 재흡수 효과의 약 20배 정도의 위력을 자랑하는 강력한 온실 기체 중의 하나로, 자연적으로는 가축의 분뇨 등에 의하여 방출되지만 인간의 활동에 의하여 방출되기도 한다. 에어로졸은 대기 중에 부유하는 고형 내지는 액상의 작은 입자들로서, 주로 대기 오염 물질들로 분류된다. 에어로졸들은 응결핵 등으로 작용하여 구름을 형성하는 과정에 기여하기도 하며, 또한 단파 복사의 반사 증가 효과로 인하여 지구의 Cooling에 기여하는 효과를 가지고 있기도 하다.

수증기의 경우에는 지구 장파 복사의 효과적인 재흡수 및 방출체이므로, 주로 습도가 높거나 구름이 낀 지역은 일교차가 감소하는 효과가 있다. 지표 장파복사를 수증기가 재흡수하여 방출함으로써, 야간에 기온의 하강을 저지하는 경향이 있기도 하고, 구름의 경우는 자체 알베도 덕분에 주간의 태양 단파복사의 지표 유입을 방지하는 효과도 있기 때문이다.

이산화탄소는 계절에 따라 주기적으로 변동하는 경향성이 관측된다. 이러한 이유는 계절에 따른 식물들의 광합성량 차이 때문이다. 주로 봄 직전에 이산화탄소의 농도는 동계 동안 광합성량이 적은 식물들의 영향으로 극대를 보인 이후, 감소하여 여름에서 가을로 넘어가기 직전에 극소를 보인 이후 다시 증가하는 주기적 변동 경향을 보인다. 그러나 산업 혁명 이후 지속적으로 증가하는 시계열 데이터 패턴을 보인다.

#3. 지구 대기의 진화 과정에 대하여 설명하시오.

당초 지구의 대기는 성운설에 의하여 형성된 원시 지구에서는 행성의 탈출 속도 때문에 분자량이 약 10 이상이 되는 기체들만 남고 그 이외의 수소($H_2$) 기체나 헬륨($He$) 기체는 지구를 이탈하였다. 마그마 바다 상태였던 지구가 점차 식어감에 따라, 수증기 등이 응결하여 강우를 내려 바다를 형성하고, 대량의 이산화탄소가 바다로 녹아 들어갔다. 산소의 경우는 두 가지 과정에 따라 형성되었다고 볼 수 있는데, 먼저 물의 광분해에 의해 형성되었다고 볼 수 있다. 그러나 그 양은 두 번째 과정으로 생각되는 스트로마톨라이트 등의 광합성에 의한 산소의 생산에 비하면 미미한 수준이다. 한편 산소 외의 기체, 예컨대 질소 또는 아르곤 등의 기체는 지구의 화산 분출 등의 과정에서 대기 중으로 분출된 것으로 생각된다.

#4. 기압을 정의하고, 표준 해면기압과 해면경정에 대하여 논하시오.

대기가 물체에 작용하는 압력을 기압으로 정의한다. 기압은 등방적이며, 또한 그 물체 위에 있는 대기 기둥이 그 물체를 내리 누르는 압력이라고 생각할 수도 있다. 표준 해면기압은 평균 해수면을 기준으로 하여 얻은 전 지구의 평균적인 기압을 말하며 약 1013.25hPa에 해당한다. 해면경정은 서로 다른 고도의 관측소에서 측정한 기압을 비교하기 위하여 이들 측정값을 해면기압으로 변환하는 것을 말한다.

#5. 온도에 따른 대기의 연직 구조를 설명하시오. 대류권, 성층권, 중간권, 열권에서의 기온 감률과 대기의 불안정, 기상 현상의 발생 여부를 중심으로 설명하시오.

대기는 그 연직 온도 분포에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눌 수 있다. 고도가 증가함에 따라 기온이 감소하는 대류권의 경우는 하층이 지표 복사의 영향으로 온도가 높아 대기가 불안정하며, 대부분의 기체와 수증기를 포함하고 있어 기상 현상이 일어날 수 있다. 그 상층인 성층권의 경우는 고도가 높아짐에 따라 기온이 상승한다. 따라서 역전층을 형성하므로 대기는 안정하고, 기상 현상이 잘 일어나지는 않는다. 다만 성층권의 경우는 지표의 생물을 보호하는 기능을 수행하는 오존층이 산재하여 있다. 중간권에서는 그 상부에서 기온의 최저 지점이 나타나며, 고도가 상승할수록 기온이 하강하는 불안정한 대기를 보인다. 그러나 수증기가 충분하지는 않으므로 기상 현상이 별도로 발생하지는 않는다. 열권의 경우는 태양 복사의 영향으로 고도가 상승함에 따라 기온이 상승한다. 그러나 직접 온도를 측정할 수는 없는데, 대기가 매우 희박하기 때문이다.

#6. 계절과 위도에 따른 대류권계면 고도의 변화를 설명하시오. 대류권계면 고도에서의 기온은 위도에 따라 어떤가?

계절과 위도에 따라 대류권계면 고도는 변화한다. 일반적으로 하계의 경우가 동계의 경우보다 대기 기둥이 더 가열되어 팽창할 수 있으므로, 동일 위도라면 하계의 경우가 동계의 경우보다 대류권계면의 고도가 더 높다. 마찬가지의 원리로 저위도일수록 태양복사선속밀도가 높아지므로 대기 기둥의 가열이 더 잘 일어날 수 있으 고위도의 경우보다 대류권 계면이 더 높게 발달하는 편이다. 그러나 대류권계면 고도에서의 기온은 고도 상승에 따른 단열팽창 등의 효과 및 지표로부터 받는 복사 영향의 감소 등과 같은 영향으로 그 고도가 높을수록 낮게 발달한다. 따라서 대류권계면 고도에서의 기온은 오히려 저위도에서 최저로 발달한다.

#7. 날씨와 기후의 차이점에 대하여 설명하시오.

날씨는 어떤 한 지역에서 일시적으로 지속되는 기상 요소를 지시하는 용어이다. 즉, 비교적 단 시간 동안에 관측되는 강수, 구름, 바람, 기온 등의 요소들을 일컫는다. 기후는 반면 어떤 한 지역에서 평균적인 날씨 또는 그 패턴이라고 지칭할 수 있다. 주로 과거 약 30년 동안의 날씨를 평균하여 얻는다고 생각될 수 있다. 기후는 날씨의 변동성과 그 주기 등의 정보도 포함한다.