드론 시험 - 항공 기상 - 대기권의 구조
공간(Space)은 지표면을 벗어난 비행체들의 활동영역이다. 공간(Space)은 지구 표면으로부터 우주공간으로 펼쳐지며 여러 가지 물리적 특성에 따라 대류권(troposphere), 성층권(stratosphere), 중간권(mesosphere), 열권(thermosphere), 외기권(exosphere)으로 나누고 있다.
※ 주요 참고 글 목록(목록은 1번부터 모두 있으며 아래는 최근의 목록임):
26. 난류, 산악파, 뇌우, 다운버스트, 우박, 번개, 천둥, 바람시어, 마이크로버스트, 착빙, 해무, 황사
이 글의 목차
- 지구 대기권 구분
- 대기의 성분
- 국제 표준 대기
1. 지구 대기권의 구분
대기의 높이(두께)는 지구 표면부터 대기 상한까지의 거리이다. 대기는 상당히 압축되어 있으며, 고도 증가에 따라 압축 정도가 약해진다. 지상 50km 고도의 밀도는 대략 해수면 밀도의 약 1/1,000이며, 총 대기질량으로 볼 때 99.9%가 이 고도 아래에 있기 때문에 이 고도가 대기 상한에 가깝다고 볼 수 있다. 그러나 이 고도는 지구 평균 반경(6,371km)과 비교하면 매우 얇은 층에 불과하다.
대기권은 물리적 특성에 따라 외기권, 열권, 중간권, 성층권, 대류권으로 나눈다. 공간적으로 보면 아래 그림과 같으며 권역별 특성을 압축하여 표시하면 그 아래 표와 같다.
| 1. 외기권(Exosphere) = 극외권 | 지표로부터 300km∼10,000km 정도까지(수소, 헬륨 등 가벼운 원소만 존재한다.) |
| 2. 열권(thermosphere) | 80~300km 온도가 700°C 까지 상승 기체가 이온화되어 전리 현상 발생하며, 지상에서의 단파 전파는 전리층에서 반사 |
| 3. 중간권(mesosphere) | 50~80Km(상승할수록 온도 감소) |
| 4. 성층권(stratosphere) | 11~50km(상승할수록 온도 상승) |
| 5. 대류권(tronosphere) | 지표로부터 평균 11km까지 (대류 및 기상 현상은 대부분 대류권에서 발생한다.) |
1) 외기권
외기권(Exosphere)은 지구 대기권의 마지막 층이다. 지표면으로부터 500∼1,000km 정도에서 시작하며, 대략 10,000km 정도까지이며 아래로는 열권이 있다. 산소나 질소와 같은 무거운 원소는 거의 존재하지 않고 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소가 존재한다.
2) 열권
중간권과 외기권 사이이다. 지표로부터 약 80km 정도에서 300km까지이다. 이 권역은 태양 에너지에 의해 공기 분자가 이온화되어 자유전자가 밀집되어 전리층이라고 불린다.
전리층은 아래에서부터 D, E, F, G층으로 구분되고, F층은 고도 180km에서 300km까지로, 55∼95m 파장의 전파를 반사한다. 이러한 특징 때문에 항공분야에서 HF(High Frequency) 주파수로 장거리 통신을 한다. HF(High Frequency)는 10∼100m 파장 범위를 갖고 있는 주파수 2.8∼22 MHz인 단파이다.
3) 중간권
성층권과 열권 사이의 지표로부터 약 50∼80km 부근에 존재하고, 고도가 높아짐에 따라 온도가 감소한다. 그러므로, 대기가 불안전하여 대류현상이 일어나지만 기상현상은 일어나지 않는다. 중간권 최상부에 대기권에서 온도가 가장 낮은 중간권 계면이 있다.
4) 성층권
지구 대기권의 한 부분이며 아래로 대류권에 접하며, 위로는 중간권을 접하고 있다. 지표로부터 11∼50km 범위이며, 고속의 바람이 불어도 와류가 생기지 않는 층이다. 위쪽으로 올라갈수록 따뜻해지고, 성층권 하부에 가까워질수록 온도가 내려간다. 이 현상은 지표면에 가까울수록 온도가 상승하는 대류권과는 정반대이다.
지표로부터 20∼30km 부분은 오존층이 두텁다. 오존은 성층권 전체에서 검출되며, 성층권 상부에서는 온도가 높아지고 오존의 농도가 희박해진다.
성층권의 아래는 대기가 안정되어 있어 구름이 적고, 기온이 낮고, 공기가 희박하다. 공기 압축기를 보유한 제트여객기들이 순항하기 좋은 여건이다. 그들은 주로 9∼15km 고도 범위에서 순항 비행을 한다.
5) 대류권
대류권(Troposphere)은 지표면과 접하고 있는 부분이다. 지구 대기권의 가장 낮은 부분으로 대부분의 기상 현상이 일어나는 곳이다. 바다에서 파도가 일고, 바다 면과 접하고 있는 대류권은 이름 그대로 쉴 새 없이 공기의 대류가 이루어지고 있다. 온도와 기압 차이로 상승 및 하강기류가 발생하고 눈과 구름, 비, 태풍 등이 발생한다.
일반적으로 대류권의 범위는 지표면으로부터 평균 고도 11km 정도이고, 계절과 위도 그리고 대기 요란에 따라 극지방에는 6∼10km, 적도 부근에는 15∼18km 정도인 경우도 있다
같은 장소에서도 여름철에는 높고 겨울철에는 낮게 나타나며, 중력과 원심력의 영향보다는 온도의 영향을 많이 받는다.
대류권의 대기 온도는 고도가 상승하면 온도가 감소하며, 공기 밀도는 고도가 상승함에 따라 감소한다. 대기권의 전체 대기 질량의 75% 이상을 대류권에서 가지고 있고, 특히 수증기를 포함하고 있어 기상현상이 발생한다.
2. 대기의 성분
지구 대기는 그 부피를 기준으로 99%가 질소(N2) 78% 및 산소(O2) 21%로 구성되어 있다. 기타 1%는 아르곤(Ar), 이산화탄소 (CO2), 헬륨(He), 메탄(CH4), 수소(H2), 수증기(H2O), 일산화질소(NO), 오존(O3), 일산화탄소(CO) 등이다. 이 분포는 고도 80km까지 균일한 구성 분포를 유지하고 있어 균질권(homosphere)이라고 하며, 고도가 높아짐에 따라 공기 밀도는 감소한다.
- 고도 80km 이상에서는 고도가 높아짐에 따라 중력의 영향이 작아지기 때문에 가벼운 기체의 성분 비율이 증가하고 그 성분비가 일정하지 않아 비 균질권이라 한다.
3. 국제 표준 대기
대기의 기압은 같은 장소라도 시간에 따라 변한다. 항공기는 지구 대기권 속을 비행하기 때문에 대기의 영향력에 매우 민감해야 한다. 항공기간의 안전거리 확보와 항공기의 비행성능 및 엔진의 출력 등을 위해서는 어떠한 기준이 되는 표준 대기가 있어야 한다.
그래서 ICAO에서 1964년 국제표준 대기(ISA: International Standard Atmosphere)를 국제 협약(International Agreements)으로 규정하였다.
- ICAO: 1964년 국제표준 대기를 국제 협약으로 규정
- ICAO에서 정한 국제표준 대기 조건: 공기는 건조 공기(균질권 상태)로서 이상기체 상태 방정식을 고도, 온도, 시간에 관계없이 만족해야 한다.
- 표준 대기는 기압이나 기온 등의 고도 분포를 실제 대기의 평균 상태에 근사하도록 해야 한다.
ICAO 기준 물리적 상수
- 해면상 표준 기압 : 1,013.25 mb, 29.921in-Hg
- 해면상 공기 밀도 : 1.225kg/m3
- 중력가속도 : 9.80665㎨
- 음속 340.43m/s
- 해면상 기온 : 15℃, 288.15K
- 결빙 온도 : 273.15K
- 고도별 온도 변화율 : 11.0km까지 -6.5℃/km
- 고도별 온도 변화율 : 11.0∼20.0km는 0.0℃/km(등온층)
4. 대류권의 기상, 기단, 전선, 구름, 안개, 난류 등
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