| 지구 궤도에서 관측한 사진.[1] |
| 대기권의 층상 구조 구분도. |
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1. 개요
대기권(大氣圈, Atmosphere)은 지구와 같이 짙은 표면 대기가 존재하는 천체[2]에서 행성을 둘러싸는 기체층이 존재하는 권역을 이른다. 이는 천체의 중력에 의해 붙잡힌 가스층이며, 대기권의 두께나 구성 등은 중력과 해당 천체의 위치, 공자전주기 등 다양한 물리화학적 요인에 영향을 받는다.[3]2. 다른 천체들의 대기권
대기권을 기체로 이루어진 층이라고 할 경우 목성형 행성들은 대기층이 여러겹으로 된 형태라고 할 수 있다. 실제로 육안으로 보이는 목성의 표면은 대기활동이 이루어지고 있는 기체층이며 그 표면을 뚫고 가도 밀도가 더 높은 가스가 몇겹 더 이루어져 있을 것으로 추정되고 있다. 지구에선 보통 해수면에서부터 해발고도 1,000㎞ 정도 높이까지의 영역을 대기권이라 하나, 그 외부의 외기권이라는 개념까지도 포함하기도 한다.달에도 대기권이 있기는 하나, 기압이 지구의 10조분의 3밖에 되지 않아 실질적으로 진공 상태와 같으며 기상 현상도 없다. 구성 물질은 헬륨, 네온, 수소, 아르곤이 대부분을 차지한다. 해왕성의 위성인 트리톤도 대기를 가지고 있으며 타이탄과 함께 유이하게 기상현상이 관측된 위성이다. 명왕성의 경우는 질소 대기가 우주 공간으로 조금씩이나마 탈출하고 있다. 지구의 대기조성은 약 질소 80%, 산소 20% 정도로 이루어져 있으나 이런 대기조성은 행성마다 다르다. 당장 금성만 해도 이산화 탄소로 이루어진 두꺼운 대기를 가지고 있고, 토성의 한 위성인 타이탄은 메탄이 순환하는 대기를 갖는다.
3. 지구 대기권
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| 외기권 (밴앨런대 · 외우주) | 그 위 | |
| 열권 (전리층 · 카르만 선) | ~(500~1000) | |
| 중간권 | ~ 약 80 | |
| 성층권 (오존층) | ~ 약 50 | |
| 대류권 (대기경계층) | ~ 약 10 | |
| ↓ 지구의 내부 구조 | 지표 아래 | }}}}}}}}} |
지구의 대기권은 지표면으로부터 대류권에서부터 약 1000km인 열권의 높이까지 분포하며, 태양의 복사에너지를 흡수하는 동시에 지구 복사에너지를 일부는 방출하고 일부는 도로 흡수한다. 여기서 지구 복사에너지를 흡수하는 게 바로 잘 알려진 온실효과인데, 이것이 없었다면 지구 지표면의 평균 온도는 지금과 같은 14~15도 정도가 아니라 흑체복사를 통한 계산결과 영하 18도 정도였을 것이다.[4] 그나마도 평균이 그렇다는 것이지, 실제로는 낮에는 백 도를 넘어가고 밤에는 영하 백수십 도로 떨어졌을 것이다.
지구에서는 지표면의 생명체를 보호하는 일종의 보호막 역할을 한다. 지구의 기온을 적절히 유지하고 수많은 생물들의 광합성에 필요한 이산화탄소를 제공한다. 지구는 탄소 기반 생명체에게 필수적인 산소가 대기층의 구성성분 중 21%를 차지하는 데다[5] 유성과 같은 우주의 위험 요소들이 이 대기권 진입 과정에서 한 줌의 재로 불타버리는 덕분에 무사히 생명체를 잉태하고 길러내는 행성이 될 수 있었다. 따라서 들으면 지구의 각 요소들의 상호작용이 어떻게 다양한 자연 현상을 일으키고 생명 활동에 적합한 환경 유지 기여하는 지를 이해하는데 도움이 될 것이다.
사실 처음부터 대기권에 산소가 있었던 것은 아니고, 원시 지구에는 이산화 탄소, 질소, 수증기 등이 가득했었던 것으로 추정된다. 지구 진화 과정에서 바다의 형성과 함께 다량의 이산화 탄소가 녹아들어가 수증기와 이산화 탄소의 비율은 감소하였고, 산소를 배출하는 생명체의 출현, 번식으로 인해 산소가 급증하기 시작, 최대 30%까지 찍을 만큼 많아졌다가(석탄기), 페름기 대멸종의 시기에 극단적으로 줄었다가 다시 조금 회복(백악기에서 K-T 멸종직전까지), 현재의 21%로 다시 줄어들었다.
대기가 지표면에 가하는 힘을 기압이라고 한다.[6]
3.1. 구성 물질
아래는 지구 대기권을 구성하는 물질의 부피 비율이다.| 종류 | 비율 |
| 질소 | 78.084 % |
| 산소 | 20.946 % |
| 아르곤 | 0.9340 % |
| 이산화 탄소 | 0.039445 %[7][8] |
| 네온 | 0.001818 % |
| 헬륨 | 0.000524 % |
| 메탄 | 0.000179 % |
| 크립톤 | 0.000114 % |
| 수소 | 0.000055 % |
| 아산화질소 | 0.0000325 % |
| 일산화탄소 | 0.00001 % |
| 수증기 | 전체 0.4% / 지표면 1~4% |
3.2. 층상 구조
3.2.1. 대류권
對流圈 / Troposphere지면으로부터 대류권 계면(Tropopause)까지의 영역을 의미하며, 인간을 비롯한 수많은 동식물들이 숨쉬고 혜택을 입는 영역이다. 말 그대로 대류현상과 기상현상인 날씨가 일어나는 구간이다. 지구의 대기중 약 80%가 대류권에 존재하며 대류권 계면에 이르기까지 고도가 높아질수록 온도는 계속해서 떨어진다. 일반적으로 안정적인 대기라 하면 낮은 곳이 차갑고 높은 곳이 따뜻해야 하는데, 대류권의 경우 지면이 태양에 의해 가열되므로 거꾸로 낮은 곳이 더 따뜻한 것. 당연히 이러한 불안정은 대류현상을 일으키고, 그 와중에 수증기로 인해 초래되는 모든 권역내 변화들이 바로 우리가 흔히 날씨라고 부르는 것들이다. 대류현상이 없을 때에는 맑고 쾌청한 날씨가 될 수도 있지만, 공기가 정체되어 미세먼지나 황사가 빠져나가지 않을 수도 있고, 대류현상이 심하면 심할수록 지상에는 헬게이트가 열린다.[9] 극단적일 경우 슈퍼셀처럼 무시무시한 것도 만들어질 수 있다.
엄밀한 정의에 따르면, 킬로미터당 섭씨온도가 5~6도정도 떨어지는 최저 고도가 대류권 계면이 된다. 대류권 계면에서는 기온이 영하 55도에 이른다. 대류권 계면의 높이는 지역마다, 계절마다 천차만별인데, 일반적으로는 10~11㎞ 정도를 잡고 있지만 극지방의 경우 7㎞까지 낮아지기도 하고 열대지방의 경우 16㎞까지 높아지기도 한다. 이는 권역의 구분이 온도에 의존하기에 벌어지는 일이다.
대류권은 단거리 여객기와 운항 초반의 장거리 여객기들이 운항하는 고도이기도 하다. 물론 이 때문에 격렬한 폭풍우는 여객기들의 항로를 가로막는 장애 요인이 된다. 국제선 여객기의 경우 대류권 계면 상부에서 날게 되는데, 아무래도 대류현상으로 인한 난기류(Turbulence)가 적고 온도도 낮다 보니 여러모로 운항에는 유리하다. 일부 위도대의 대류권계면 근처 공역에는 제트 기류(Jet Stream)라고 불리는 초강풍대가 위치해 있어서, 처음으로 이 고도를 날던 B-29 폭격기 조종사들은 "요새를 되밀어내는 힘" 에 적잖이 당황할 수밖에 없었다고 한다. 물론 장거리 여객기들은 대류권 상층부에서 순항을 시작하며, 연료 소모에 따라 고도를 조금씩 올려 중후반에나 가야 성층권으로 가는 경우가 많다. 이륙하자마자 바로 성층권으로 가는 여객기들은 비행시간이 1 ~ 3시간, 거리가 800 ~ 2000 km 정도 되는 단거리 노선밖에 없다.
3.2.2. 성층권
3.2.2.1. 오존층
3.2.3. 중간권
中間圈 / Mesosphere성층권 계면에서 중간권 계면(Mesopause)까지의 영역을 의미하며, 고도가 높아질수록 온도가 계속해서 떨어진다. 달리 보자면 대기권 내에서 가장 지독하게 추운 곳. 대류권과 마찬가지로 대류의 불안정이 존재하지만, 대류권과 달리 수증기가 없기 때문에[10] 중간권에서는 날씨현상이 없고, 대류현상만 일어난다. 기상현상 역시 많지 않아서, 가장 높은 구름으로 불리는 야광운(Noctilucent Cloud)이 대략 75km 상공에서 나타난다. 또한 상층대기 번개의 일종인 스프라이트(Sprite)를 관찰할 수 있다.
인간활동 중에서는 대기권 진입이 50~100km 고도인 만큼 이를 지목해 볼 수 있다. 사실 이와 마찬가지 원리로 유성 역시 바로 이 고도에서 관측 가능한데, 지구 대기권 내로 진입하던 우주의 물체들은 이 근방에서 공기층과 부딪쳐 단열압축을 일으키면서 최대 6,000도에 이르는 고온으로 가열, 플라즈마화하기 때문이다. 사실상 지구의 방패라고도 할 수 있는 권역이다.
중간권 계면은 해발고도 80km 정도에 해당하고, 그 온도는 영하 95도에 이른다. 중간권이 이처럼 추울 수밖에 없는 이유는 태양으로부터도 멀리 떨어져 있고, 그렇다고 지표의 복사열을 받자니 지표로부터도 너무 멀기 때문이다. 설상가상으로 적외복사로 인해 그나마 있는 열까지 계속 빼앗기는 상황이며 심한 경우 중간권 계면에서는 영하 130도까지 내려가기도 한다고 한다.
3.2.4. 열권
熱圈 / Thermosphere중간권 계면에서 열권 계면(Thermosphere)까지 지구 지표면에서 약 1,000km 높이까지의 영역을 의미하며, 고도가 상승할수록 온도가 계속해서 증가한다. 이는 열권의 입자들이 태양 복사열을 흡수하기 때문인데, 이 때문에 일반적으로 고도 200km 정도까지는 입자가 많으므로 급격한 상승이, 그리고 그 이후부터는 완만한 상승이 관찰된다. 이 권역에서는 대기가 거의 없어서 낮과 밤의 온도 차이가 매우 큰것은 물론이고, 입자들이 너무 희박해서 공기 분자들끼리는 서로 가까이 닿는것 조차 드물게 일어날 정도다.
기상현상은 찾아보기 어렵지만 대략 고도 100km 정도에서 상층대기 번개의 일종인 엘브스(Elves)가 관찰되며, 오로라가 대체로 150km 이상에서, 드물게 1,000km 높이까지의 범위까지도 나타난다. 초록색은 250km 이하이므로 더 자주 관찰되지만, 적색은 250km 이상이므로 더 드물게 보인다. 열권에 위치한 지상으로부터 고도 100km 지점부터 우주로 정의한다. 즉 이 경계선 아래는 대기이고 위는 우주인 셈. 이를 나누는 경계선의 이름은 '카르만 라인(Karman Line)'이라고 한다.
인간 활동의 경우 보통 300~500km 고도에 ISS를 비롯한 인공위성 궤도가 존재한다. 또한 전하를 갖고 있는 열권의 입자들(이를 '전리층'이라 한다)은 전파를 반사시키기 때문에 단파방송 등 장거리 통신기술에도 활용되고 있다. HAARP라는 이름의 연구소가 바로 이 영역에 대한 연구를 수행중이다. 열권 계면의 경우 태양 활동의 변화에 극심하게 영향을 받는 지역인데, 고도 135km쯤 되면 지표면보다 더 높아지고 심할 경우 그 온도가 2,000도까지 치솟기도 한다.[11] 열권 계면의 정확한 위치 역시 대류권 계면과 마찬가지로 크게 변동하기에 확신할 수는 없지만, 대략 750km 정도를 열권 계면의 고도로 잡고 있는 상태. 산소가 많은 지역인데, 여기서부터는 원자들이 궤도입자(軌道粒子)화하기 시작한다.
몇몇 자료에서는 열권의 온도가 몇백 도~1,000도에 이르는 것으로 설명하는데, 이는 온도의 정의를 분자의 운동에너지(이동속도)로부터 계산하기 때문이며, 대기권의 최상층인 열권에서는 분자 수가 적기에 충돌없이 빠르게 움직일 수 있기 때문이다. 물론 공기의 밀도가 매우 낮기 때문에 열권에 들어온 우주 비행사는 화상을 입지 않는다.[12]
3.2.4.1. 전리층
電離層 / Ionosphere| | |
| 평상시의 전리층 | 스포라딕 E층을 포함한 여름철의 전리층 |
다만 단파의 경우 주파수가 높으면 송신소에서 직접 도달하는 지표파와 전리층에서 반사된 반사파 모두 수신되지 않는 스킵 존(Skip Zone)이 발생한다. 이 영역은 지표파 수신 영역과 반사파 수신 영역 사이에서 발생하며 주파수가 낮을수록 줄어든다.
높이에 따라 D~F층으로 나뉜다.
3.2.4.1.1. D층
D layer높이가 가장 낮으며 48~90km 높이에 위치한다. 낮에만 존재하며 정오(특히 여름철) 무렵에 절정을 이루고 밤이 되면 우주선에 의해 사라진다. 또한 겨울철에는 한낮에도 상당히 약화되는 경우가 있다.
10MHz 이하의 중파와 단파(31m 밴드 이하) 대역의 전파를 흡수한다. 이로 인해 낮에는 중파방송과 낮은 주파수를 가진 단파방송의 원거리 수신이 불가능하다.
3.2.4.1.2. E층
E layer90~150km 높이에 위치한다.
밤(특히 겨울철)에 10MHz 이하의 중파, 단파(31m 밴드 이하)[유형1] 대역의 전파를 반사하여 먼 거리의 중파방송을 수신하는 중파DX가 가능하다.
여름철(북반구 기준 5월 하순~7월 하순)에는 VHF 대역의 전파를 반사하는 스포라딕 E층이 발생하여 단일 반사 기준 900~2,200km[15] 거리의 FM 라디오와 VHF 하위 대역(FM 라디오 대역 미만) TV 방송의 원거리 수신이 잠시 동안 가능해진다.
3.2.4.1.3. F층
F layer / F region높이가 가장 높으며 150~500km 높이에 위치한다. 전자 밀도가 가장 높은 전리층이다. 낮에는 F1층(하위)과 F2층(상위)으로 나누어지며 밤이 되면 F층으로 다시 합쳐진다.
10MHz 이하의 단파(31m 밴드 이하)[유형2] 대역 전파를 반사하고 10MHz 이상의 단파 대역 전파를 부분적으로 흡수한다.
3.2.5. 외(기)권
外(氣)圈 / Exosphere대기권의 일부로 취급하지 않기도 하지만, 포함시킬 경우 이 공간은 열권 계면에서부터 외우주까지에 이르는 불분명한 범위의 광막한 공간을 의미한다. 수소와 헬륨으로 이루어진 지극히 희박한 공기는 중력을 이겨내고 외우주 공간으로 이끌려 빠져나갈 수도 있다. 심하게 말하면 지구가 대기를 구성하는 입자들을 잃어버리는 영역. 사실상 외기권에는 계면 같은 것은 존재하지 않는데, 그 이유는 외기권의 외곽에서는 대기 입자들이 행성간 물질과 일체화하기 때문이다. 그래도 굳이 따지자면 대략 10,000km[17]에 가까운 범위를 잡을 수 있다.
외기권 외곽에는 밴앨런대가 존재하며, 이는 미국의 과학자이자 발견자인 J.A.밴 앨런의 이름을 따서 붙여진 것이다. 그 외에 특기할 만한 자연적 특징은 딱히 없다.
인간 활동의 경우 아폴로 계획을 통해 단 28명 만이 외기권을 사람이 통과한 적이 있고[18], 보이저 탐사선과 같은 여러 탐사선들 역시 외기권을 통과한 바 있다. 인간이 이 공간에 존재하는 밴 앨런 대의 위험성을 막아낼 방법이 아직 없다는 일종의 음모론이 존재하기도 하다.
[1] 사진 내 적란운의 가장 높은 평평한 부분은 지상으로부터 대략 10㎞ 근방이다. 지구 윤곽 위로 푸르스름한 대기권도 보인다. 이 얇디얇은 '푸르스름한 기운' 이 바로 우리가 지상에서 바라보는 파란 하늘의 정체다.[2] 수성이나 달은 대기가 거의 없다.[3] 단순히 중력이 센 천체라고 대기가 두꺼운 것이 아니다. 예컨데 토성의 위성인 타이탄만 봐도 행성인 지구보다 두꺼운 대기권을 가지고 있다.[4] 온실 효과 자체는 지구 환경을 유지하기 위해 필수적이다. 다만 지나친 온실 효과가 문제가 되는 것이다.[5] 산소 농도가 너무 높을 시 산화 반응이 너무 활발히 일어날 것이다.[6] 참고로 지구의 1기압은 1㎡당 약 10톤의 추가 누르고 있는 것과 거의 같은 힘(약 100kPa)이다. 좀 더 실감나게 하기 위해 스케일을 줄여 보자면, 1cm²(검지 손톱 정도의 넓이)당 1kg이라고 알고 있으면 된다.[7] 2015년 통계: 0.04% 이상, 비율 상승 중.[8] 0.06%만 넘어가도 지구는 본격적인 사막화가 진행될 것이다. 멀리갈 것 없이 다큐멘터리 코스모스에서 이를 나비에 빗대어 설명하는 장면이 있다. 이 다큐멘터리가 나온 것은 2014년이고 불과 다음해인 2015년에 지구의 이산화 탄소 농도는 400ppm 즉 0.04%를 최초로 돌파했다![9] 보통 날씨에서 대기가 불안정하다는 얘기가 바로 이 대류현상을 말하는 것이다.[10] 운석에서 나오는 극미량의 수증기나 간혹 하부 대기에서의 강력한 상승 기류를 타고 올라온 게 전부다.[11] 사실 열권 부분부터는 하도 입자들이 희박하다 보니 온도 개념이 크게 의미는 없을 지경이다.[12] 100도의 건식 사우나에서 화상을 입지 않는 것과 원리가 같다.[13] 플라즈마는 그 전자밀도에 따라 특정 주파수 이하의 주파수를 가진 전자기파를 반사시킨다. 따라서 주파수가 낮은 30MHz 이하의 전파는 전리층에 의해 반사되어 장거리 무선통신에 이용되고(단파, 공중파), 주파수가 높은 30MHz 이상의 전파는 전리층을 투과하므로 단거리 무선통신이나 인공위성과의 통신에 이용된다.[유형1] 비스듬하게 반사될 때.[15] 조건이 좋다면 이중 반사되어 3,500km 이상의 더 먼 거리까지 전파가 도달할 때도 있다.[유형2] 수직으로 반사될 때.[17] 여담으로 지구에서 달까지의 거리는 약 385,000km 정도이다.[18] 아폴로 8호에서 17호까지(7호와 9호는 제외) 각 발사별 3명씩 9번이다. 아폴로 13호는 비록 달착륙은 못 했지만 당연히 외기권 비행이었던 것은 물론, 지구 귀환 시 자유 귀환궤도로 달을 돌았기 때문에 심지어 다른 아폴로 탐사선보다 100Km 정도 더 높게 달 상공을 날고 왔다. 추가로 착각하기 쉬운게 아폴로11호가 최초로 밸 앨런 대를 통과한것이 아니다. 아폴로 8호가 인류 최초로 달궤도를 다녀온 미션이다. 그리고 짐 러블(8호,13호), 존 영(10호,16호)은 달궤도를 두 번씩 다녀온 사람들이다.