대기 오염의 화학 | 대기권의 구조

대기권(기권)이란 지구 중력에 의하여 대기가 붙잡혀 있는 곳까지를 말하며 일반적으로 지표면에서 약 10,000㎞까지를 상한으로 본다. 학자에 따라서는 지상 1,000㎞까지를 대기권의 상한으로 보기도 한다. 대기의 97%는 지상 29㎞ 이내에 존재하며 이곳에서의 대기는 대부분 분자 상태이다. 대기는 지표면에 가까울수록 분자 상태로 존재하며 지표면에서 멀어지면 이온 상태로 존재하는 대기가 많아진다. 아주 멀어지면 대기는 전리하게 되고 이때 자유전자가 많이 발생한다. 대기권은 기온의 분포에 의하여 일반적으로 대류권, 성층권, 중간권 및 열권으로 분류된다.

 

 

 

대류권

대류권(troposphere)은 지표로부터 평균적으로 약 12㎞(7～17㎞) 상공까지의 기층을 말한다. 그러나 대류권의 경계는 지구표면의 온도와 특성 등을 포함한 많은 요소들에 의하여 영향을 받기 때문에 하루 동안에도 대류권의 최상단에 대한 부분은 ㎞ 단위로 변할 수 있다. 특히 지구 자전의 영향을 많이 받기 때문에 극지방에서의 대류권의 높이는 약 7～8㎞ 정도이지만 적도상에서의 대류권의 높이는 약 17～18㎞에 달한다.

 

대류권의 기층은 [그림 1]에서 보는 바와 같이 고도가 상승할수록 기온이 하강하는데 이는 고도가 높아짐에 따라 지표에서 복사(radiation)하는 열 에너지로부터 거리가 멀어지기 때문이다. 일반적으로 고도에 따른 기온의 감소률은 표준 대기중에서 0.65℃/100m이므로 지표의 기온이 15℃이면 약 12㎞ 상공에서의 기온은 영하 50～60℃에 달하게 된다.

 

대류권에서는 지표 부근의 기온이 높아서 대류의 활동이 활발하므로 각종 기상현상이 일어난다. 특히 대류권의 최하부에서는 지면의 요철, 거대한 바다, 다양한 지표의 피복상태 등으로 대기의 운동이 매우 복잡하게 된다. 그러나 넓은 의미에서 볼 때 대류권내에 대기의 성분 조성은 대기의 활발한 순환에 의하여 매우 균일하게 분포되어 있다.

 

 

성층권

대류권 최고 상단부의 대류권계면(tropopause)을 지나면 하강하던 기온이 더 이상 하강하지 않고 일정 고도까지는 등온상태를 유지한다. 그러나 이 일정 고도가 지나면 다시 기온이 상승하게 되는데 이 기층을 성층권(stratosphere)이라 한다. 성층권에서는 고도가 높을수록 기온이 높아지기 때문에 대류가 없고 기층이 매우 안정적이다. 또 수증기의 양도 적기 때문에 대류권에서 볼 수 있는 기상 현상은 나타나지 않는다.

 

성층권의 고도는 약 10～50㎞ 사이이며, 성층권 내의 등온층은 약 10～30㎞ 사이이고, 기온 상승층은 약 30～50㎞ 사이이다. 성층권의 하단부는 기온이 매우 낮기 때문에 물이 얼음 입자로 응축되어 있는데, 이것은 매우 강한 자외선의 작용에 의해서 광분해가 일어날 수 있는 더 높은 고도로 물이 올라가는 것을 방지해 준다. 만약 광분해가 일어나면 수소가 생성되어 대류권을 빠져나가게 되고 이에 따라 지구의 수분은 손실되는 것이다. 그리고 성층권에서 기온이 상승하는 이유는 오존이 존재하기 때문이다. 오존은 고도 30km 부근에 가장 많으므로 이 부근의 기층을 오존층(ozonosphere)이라 부르기도 한다. 오존은 부피로 10㏙ 정도가 존재한다.

 

일반적으로 성층권 내의 산소분자(O₂)는 2,400Å 이하의 자외선 복사에 노출되면 산소원자(O)로 분리된다. 그리고 이 산소원자(O)가 중성분자(M)의 존재하에 산소분자(O₂)와 충돌하면 오존(O₃)이 생성된다.

 

 

오존층은 자외선 형태의 에너지를 흡수하기 때문에 성층권의 온도를 상승시키는 역할을 하며 또한 강력한 자외선으로부터 지상의 생물을 보호하는 중요한 역할을 한다. 4억년 전 바다에서만 서식했던 동식물이 육상으로 진출하여 진화할 수 있었던 것은 바로 그 당시에 오존층이 형성되었기 때문이다. 즉 오존층은 지상에서 생명체가 번식할 수 있는 가장 중요한 요인 중의 하나였다.

 

 

중간권

성층권 최상부의 성층권계면(stratopause)을 지나면 기온이 다시 하강하여 80km 근처에서는 영하 100℃ 정도가 된다. 이 기층을 중간권(mesos- phere)이라 한다. 이 중간권에서 고도가 높아짐에 따라 기온이 하강하는 이유는 태양 복사선을 흡수하는 물질 즉 오존의 농도가 감소하기 때문이다. 중간권에서는 대류권과 마찬가지로 대류현상이 존재한다. 그러나 수증기가 적기 때문에 커다란 기상 현상은 나타나지 않는다. 그리고 70～80㎞ 고공에 야광운이 나타나기도 하는데 이는 주로 노르웨이, 알래스카 등지의 고위도 지방 상공에서 발생한다.

 

 

열권(온도권)

중간권의 최상부 약 80㎞ 지점에 위치한 중간권계면(mesopause)을 지나면 기온이 다시 상승하기 시작하여 2,000～3,000℃의 고온에 달한다. 이 기층을 열권(thermosphere)이라 한다. 열권에서의 고온은 기체의 분자운동론에 의하여 정의되는 온도이며, 공기의 분자량이 매우 적기 때문에 열량은 극히 적어 용광로 속의 온도 개념과는 다르다.

 

대기권은 대기의 화학 성분에 의하여도 분류되는데 이때에는 균질권(homosphere)과 이질권(heterosphere)으로 나눈다. 균질권은 지상 90㎞까지를 말하며 여기에서는 대기의 혼합성분비가 고도에 관계없이 일정하게 분포되어 있다. 즉 질소 약 78%, 산소 약 21%, 기타 대기성분이 약 1%를 차지한다. 이질권은 지상 90㎞ 이상의 대기권을 말하며, 여기서는 대기가 희박하고 고도에 따라 대기의 성분이 분리되어 분포한다. 즉 90～200㎞에서는 질소층을, 200～1,100㎞에서는 수소층을 이룬다.

 

한편 지상 70～80㎞ 이상의 대기는 자외선에 의하여 전리되며 이때 생긴 자유 전자의 밀도는 몇 곳에서 극대치를 나타낸다. 이 극대치를 나타내는 층은 70～80㎞ 사이의 D층, 100～120㎞ 사이의 E층, 170～230㎞ 사이의 F₁층, 200～500㎞ 사이의 F₂층 등이 있다. D층은 저주파수, 즉 라디오파와 같은 장파를 반사시켜 주지만 중간 및 고주파수의 전자파를 매우 강하게 흡수한다. E층은 중파와 라디오파를 반사한다. F₁층과 F₂층은 단파를 반사하는데 특히 F₂층은 장거리 통신에 중요한 역할을 한다.

 

 

 

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