[항공기상학] 지구대기 대순환

비행과 기상은 떼어낼래야 떼어낼 수 없는 관계이며 그 이유는 따로 설명하지 않아도 이해하기 어렵지 않다. 아마 고등학교 과학 시간 후 기상학에 대해 따로 공부를 해본 사람은 생각보다 적을 것이다. 하지만 항공을 위해선 기상학의 기본 지식을 쌓아야 하며 늘 우리 주변에 있지만 인지하지 못했던 분야라 다소 흥미롭게 다가올 수도 있다 생각한다. 

 

지구대기의 규모는 얼마나 될까? 지구대기는 대류권, 성층권 중간권 및 열권을 지나 외기권에 이르기까지 지면으로부터 약 1,000km 정도의 두께이다. 대류권의 끝을 대류권계면이라 하는데 대류권계면까지의 범위는 지면으로부터 10~15km로 상대적으로 두께가 매우 얇으며 측정하는 지구의 위치에 따라 상이하다. 이는 적도 부근일수록 받는 태양광이 증가하기 때문에 공기 밀도가 달라져 높이 또한 달라지는 것이다. 대류권의 두께가 상대적으로 얇다고 말할 수 있는 이유는 지구 반경 대비 대류권의 두께는 0.3%도 되지 않기 때문이다. 하지만 모든 기상현상과 대기 대순환은 대류권 안에서 일어난다. 그 이유는 수증기가 대류권 밖에선 거의 존재하지 않고 수증기가 없으면 기상 현상이 일어날 수 없기 때문이다. 그럼 대순환은 왜 그리고 어떻게 일어나는지를 알아보도록 하겠다.

 

우주 전체의 평균 기온은 학자들의 예측으로는 대략 -270도 섭씨라고 한다. 하지만 그에 비해 지구는 매우 따뜻한데, 이는 태양이 지구를 공전하면서 막대한 양의 에너지를 전달하기 때문이다. 앞서 말했듯이 지구도 지역마다 태양복사 에너지를 받는 정도가 다른데 적도 부근은 가장 많이 받고 극지방의 경우 복사에너지를 상대적으로 적게 받는다. 그러면 지속해서 가장 많은 복사열 에너지를 받는 적도는 꾸준히 기온이 올라가고 극지방의 온도는 계속 떨어져야 하지만 실제 지구는 대략 일정한 온도분포를 지니고 있다. 그 원인은 지구대기 대순환에서 찾을 수 있다.

 

적도 부근은 많은 태양복사 에너지를 받아 온도가 높으며 높은 온도는 공기를 팽창시켜 밀도를 감소시킨다. 밀도가 낮은 공기는 가벼워 대기 중으로 상승하고, 고도가 높아지며 온도는 다시 낮아져 수축하며 지상으로 내려오게 된다. 이러한 단순 순환을 해들리 세포(Haddley Cell)로 설명할 수 있다. 위치에 따라 명칭이 달라지는데 적도 부근은 해들리 세포, 중위도 부근은 페럴 세포, 극지방은 극세포로 불린다. 물론 대기 기상학을 이처럼 쉽게 정의할 순 없겠지만 큰 그림의 대기 순환 이론은 엿볼 수 있다. 그리고 대기순환의 중요한 요소, 중력에 대해 알아보도록 하겠다.

 

지구는 태양 주위를 초당 30km 속도로 이동하는데 이는 음속의 90배이다. 이렇게 빠른 속도로 이동하는데 어떻게 지구의 대기층은 지구 전체를 둘러싸고 있을까? 회전목마를 상상해보자. 회전목마가 아주 빠르게 이동한다면 우리는 봉을 꼭 잡지 않으면 회전목마에서 튕겨 나갈 것이다. 공기도 마찬가지일 것이다 하지만 대기가 항상 지구 전체를 감쌀 수 있는 이유는 바로 중력 때문이다. 지구의 대기는 태양복사 에너지만으로 순환할 수 없다, 만약 중력이 없었다면 공기 분자는 우주로 흩어져 나갔을 것이다. 이렇게 중력이 존재하기 때문에 공기는 기체임에도 불구하고 항상 일정한 외형을 갖춘 형태로 존재하며 지구의 중심으로부터 멀어질수록 중력의 영향력에서 점점 벗어나게 된다. 그래서 지표와 가까운 곳에는 많은 양의 공기 분자가 존재하고 고도가 높아질수록 공기의 밀도는 감소하게 되는 것이다. 이러한 공기의 밀도분포는 대기의 압력으로 나타낼 수 있다. 공기의 밀도가 증가하는 이유는 공기 분자가 밀집해 있으면 충돌하는 횟수가 증가하고 밖으로 팽창하려는 힘이 증가하며 압력이 증가한다. 고도가 증가하며 감소하는 기압은 대류권의 끝 대류권계면을 지나며 급격히 감소해 성층권 정도에서는 현저한 저하를 나타낸다.

 

또한 대류권과 성층권에 도드라지는 특징은 기온이다. 대류권의 경우 고도가 증가하며 기온이 떨어진다. 태양에 가까워져서 온도가 올라가야 하는 거 아니냐는 의문이 들 수 있지만 태양으로부터의 거리는 애초에 너무 멀어 작은 거리의 차이가 기온에 영향을 미치지는 않는다. 온도가 줄어드는 이유는 태양복사 에너지를 받은 지면으로부터 멀어져 기온이 떨어지는 것이다. 또한 따뜻한 공기는 상승하고 차가운 공기는 하강하려는 습성이 있기에 대류권에서는 대기가 불안정하고 기상현상이 빈번하게 나타난다. 하지만 성층권에서는 애초에 수증기가 없어 기상현상이 잘 일어나지도 않지만 고도와 기온이 동시에 올라간다. 고도가 높을수록 온도는 따뜻해지기에 대류가 안정적이고 대류현상도 잘 일어나지 않는다. 아쉽게도 성층권에서 비행하기엔 고도가 너무 높고 공기 밀도도 너무 낮아 효율적이지 못하다.

 

대류권에서도 고도가 높아질수록 기온이 높아지는 현상이 생기기도 한다. 바로 temperature inversion (기온역전)이다. 보통 1000ft 고도가 증가할 때마다 기온 2도 섭씨 정도 감소한다고 보면 된다. 하지만 기온역전층이 생길 때는 오히려 고도가 증가하며 온도도 증가하게 되는데, 상대적으로 높은 온도의 기단은 올라가려 하고 상대적으로 낮은 온도의 기단은 내려가려는 특성 때문에 해당 역전층의 공기는 매우 안정적이다. 그렇다면 이런 역전층은 왜 생기는 걸까? 바로 복사에너지 때문이다. 밤에 바람이 없는 곳에는 복사에너지를 방출하며 땅의 기온이 낮아지며 주변 공기의 기온 또한 급격히 저하된다. 바람이 없기 때문에 해당 주변의 차가워진 공기는 머물게 되며 위층에 있던 공기는 상대적으로 따뜻한 공기가 되며 역전층이 형성되는 것이다.