중학교나 고등학교를 다닐 때 과학 시간에 대기권을 구분하고 각각의 부분에 대한 특징들을 배운적이 있을 것이다

항공우주공학에서는 항공기나 우주발사체 등을 다루는 학문이기 때문에 대기권에 대한 기본적인 지식 정도는 당연히 인지하고 있어야 한다.

대기권의 구분

대기권을 구분하는 방법은 국가나 기권에 따라서 각각의 권역을 규정함에 있어서 고도 차이를 조금씩 보이고 있다.

국제민간항공기구(ICAO, International Civil Aviation Organization)의 성층권까지의 표준과 미공군 규정을 따르면 대기권은 다음과 같이 나눌 수 있다.

대류권(Troposphere)은 지표면 ~ 약 11km까지, 성층권(Stratosphere)은 약 11km ~ 50km 미만, 중간권(Mesosphere)은 50km ~ 80km 미만, 열권(Thermosphere)은 80km ~ 300km 미만이고 마지막으로 극외권(Exosphere)의 경우 300km ~ 2000km의 고도에 해당하는 부분이다.

그리고 조금 더 크게 우주공간을 구분하자면, 약 2000km까지의 상공까지가 대기권(Atmosphere)으로 묶이고 그 밖의 공간을 외공간(Outer space)라고 부르는데, 대기권과 외공간을 합쳐서 부르는 말이 공간(Space)이다.

그 외에도 지구와 다른 행성이나 계 등의 관계를 고려해 공간을 나눌 때는 지구 인접공간(Geospace), 지구와 달 사이의 우주공간(달 공간, Translunar/Cislunar space), 행성간 우주공간(Interplanetary space), 태양계 사이의 공간(태양계우주공간, Intersolar space)과 태양-은하계 사이의 공간으로 나뉜다.

대류권은 대류의 발생으로 인한 기상현상이 나타나기 때문에 천후권이라 불리기도 한다. 우리가 알고 있는 일반적인 상식으로는 11km까지를 그 권역으로 하지만, 그 기준이 되는 지역의 위도에 따라서 더 낮아지기도 하고 높아지기도 하는데, 극지방에서는 약 6km, 적도 부근에서는 약 20km까지가 대류권으로 보기도 한다.

성층권에 들어가기 앞서, 대류권과 성층권의 경계를 대류권계면(Trapopause)라고 하는데, 이 부근에서 100km/h정도의 제트기류가 부는 좁은 영역이 발견되면서 항공기 순항에 이용되고 있다. 제트기류가 발생하는 고도는 약 10km정도이다.

성층권은 열의 대류가 없는 것이 그 특징이며 하부와 상부 성층권으로 나눌 수 있다. 태양으로부터 오는 자외선을 차단해주는 역할을 맡는 오존층이 높은 밀도를 보이며 상부성층권에 존재하기 때문에 해당 영역을 오존권(Ozone layer)이라고도 부른다.

성층권에서는 온도의 변화가 크게 나타나지 않지만, 상부에서는 대기와 태양 방사선의 화학반응으로 오존이 만들어지면서 발생한 열로 인해 온도가 높아진다. 상부성층권에서 중간권으로 다가갈수록 온도는 높아지지만, 오존의 농도는 줄어든다.

중간권의 경우 하부에서는 성층권으로부터 약간의 열을 공급 받아서 온도가 높지만, 고도가 높아지면서 온도가 내려간다. 최상부의 온도는 -90℃ 정도이고 한 번씩 -130℃까지도 내려가기 때문에 대기권 중 가장 온도가 낮다. 중간권의 최상층은 보통 약 80km라고 보는데, 85km로 보는 곳도 있다.

열권의 특징은 기체가 이온화되어 전리현상을 일으키는 전리층이 존재한다는 점이다. 아래에서부터 D, E, F, G순으로 층을 나누며 D층에서부터 약한 전리가 생기기 시작해서 E층에서 산소와 질소가 이온화 되는 것을 시작으로 G층에서는 모든 기체가 이온화된다.

전리층은 지상에서 쏘아올린 단파 전파를 반사시키기 때문에, 지구에서 우주로 보내는 전파는 반드시 초단파이거나 극초단파를 써야 한다.

극외권은 300km 이상에서 시작하는 대기권의 최상층이다. 여기서부터는, 공기입자들이 가지는 열에너지가 굉장히 높을 뿐만 아니라 지구 중력의 영향에서도 많이 벗어난 상태가 된다.

따라서 공기입자의 분자간 충돌이 없어질 만큼 평균 자유운동 거리가 커지고 거대한 타원궤도와 같은 경로를 통해 지구의 영향력으로부터 벗어나 우주공간으로 나아간다. 단, 우주공간으로 벗어나는 공기만 있는 것이 아니라 우주공간으로부터 유입되는 공기입자 또한 존재한다.

지금까지 살펴 본 바와 같이 대기권을 대기의 고도와 그에 따른 특성으로 대기권을 나눌 수도 있지만, 이것이 대기권을 나누는 유일한 방법인 것은 아니다.

대기권을 대기의 분자량과 그 구성 기체들의 체적 비율을 기준으로 나눌 수도 있다. 해수면 부근에서 대기의 분자량은 28.966이고, 대략 78%의 질소, 21%의 산소 그리고 그 외의 기체들로 구성되어 있다. 이 분자량과 구성 체적 비율은 고도 100km까지 거의 일정하기 때문에, 100km까지를 균질권(Homogeneous atmosphere)이라 부르고 그 보다 더 고도가 높은 영역은 비균질권(Heterosphere)이라고 한다.

국제표준대기

우리는 대기권의 구분법을 통해서 대기권의 어느 지점에 위치하고 있는지에 따라 시시각각 변화하는 특성들을 볼 수 있었다.

항공기를 만들었을 때, 시험을 하고 자료를 정하려면 항공기가 위치한 대기 속의 특정한 지점의 정보를 모두 계산해야 되는데, 그것은 쉬운 일이 아니다. 대기의 온도, 압력, 밀도 등 모든 특성들은 기준 지점에 따라서 항상 변화하고 있다. 따라서, 항공기의 성능을 시험하기 위해서 대기를 일정한 값으로 정해놓기 위해서 표준대기가 필요하다.

표준대기는 국제민간항공기구에서 채택한 국제표준대기(ISA, International Standard Atmosphere)를 기준으로 국제적으로 통일되어 있다. 표준대기의 기준 값은 해수면 상 고도 0m로 그 값은 다음과 같다.

온도 : 15 ℃

압력 : 760 mmHg

밀도 : 1.225 kg/m³

점성계수 : 1.783 × 100,000 kg/[m-s]

음속 : 340.43 m/s

고도에 따라서 표준대기의 온도, 압력, 밀도, 점성계수, 음속 등이 달라진다.