24. 드론 - 항공 - 대류권의 기상 현상

항공기상 2 - 대류권의 기상 현상 1

드론 자격증 4종 취득을 위한 학습 "대기권의 구조"에 이어 "대기권의 기상현상"에 대해 정리한다.

지난 글 중 주요 내용:

23. 항공기상 - 대기권의 구조

15. 드론 자격증 4종 - 인적요인

16. 드론 자격증 4종 - 인적 요인 2

17. 무인 비행 장치 시스템 (1)

18. 드론, 무인 비행장치 시스템 (2)

19. 무인항공기 운용 및 비행이론 (1)

20. 무인항공기 운용 및 비행 이론 (2)

21. 무인항공기 비행 이론 (3) 고정익 항공기

22. 무인 비행장치(드론) 조종

 

이 글의 목차

1. 대기의 기온과 습도
2. 기압
3. 고기압과 저기압
4. 바람

1. 대기의 기온과 습도

1) 대기의 열전달

열은 복사(Radiation), 전도(Conduction) , 대류(Convection)의 3가지 방법으로 전달되며 실제로는 둘 또는 세 가지 현상이 동시에 일어난다. 

 

• 복사(Radiation): 물체로부터 방출되는 전자파를 총칭하는 말이다. 전자기파에 의한 에너지 전달 방법이며 에너지 이동에 있어 매체를 필요로 하지 않는다. 그러므로 태양에너지는 주로 복사 형태로 이동된다.
• 전도(Conduction): 분자운동을 통한 에너지 전달 방법이다. 물질의 이동 없이 열이 물체의 고온부에서 저온부로 이동하는 현상이며 열전도는 온도 차이가 있을 때에만 일어난다.
• 대류(Convection): 유체(기체나 액체)의 일부분이 가열 또는 냉각되었을 때 분자운동이 발생하는데, 이 때문에 유체 내부의 밀도 차이가 발생하고, 밀도가 작은 부분은 상승하고 밀도가 큰 부분이 하강하게 되는 이동 현상을 말한다.
• 이류(Advection): 연직방향으로의 유체(기체나 액체) 운동에 의한 수송이 우세한 경우를 대류라 하고, 수평방향으로의 유체 운동에 의한 수송이 우세한 경우를 이류라고 한다. 
• 유체(fluid): 흐를 수 있는 액체나 기체(일정한 상태를 유지하는 고체와 다르다)

 

2) 기온

온도는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 수량으로 표시한 것이다. 기온은 공기의 차고 더운 정도를 수량으로 나타낸 것이다. 온도 단위는 섭씨온도, 화씨온도 그리고 절대온도가 있다.

 

• 섭씨온도(Celsius, ℃): 1 기압에서 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 하고, 그 사이를 100 등분한 온
  도를 말한다.(단위 기호는 ℃로 표기한다)
• 화씨온도(Fahrenheit, ℉): 소금, 암모니아 등을 만들 수 있는 가장 낮은 온도를 0℉(≒-18℃)로 정의하고,
  물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 하고, 그 사이를 180 등분한 온도이다.(단위 기호는 ℉를 사용한다.)
• 절대온도(Kelvin, K): 열역학 제2법칙에 따른 이론적 온도로 이론상 생각 가능한 최저 온도를 기준으로 하는 온도 단위이다. 기준점이 되는 0K는 이상 기체의 부피가 0이 되는 극한 온도 -273.15℃와 일치한다. 절대온도를 기준으로 한 온도 눈금을 절대온도(absolute temperature) 또는 캘빈 온도(Kelvin temperature) 눈금이라 부른다. (기호는 °(도) 표시가 없는 K, 읽기는 켈빈(Kelvin)으로 읽는다)
• 온도 환산법: 섭씨와 화씨온도의 관계: ℃=(℉-32) × 5/9

 

2-1) 일사량 변화

 

태양으로부터 받는 지면에서 일사량은 일출과 더불어 차츰 증가하다가 일몰이 되면 없어진다. 일사량은 정오에 최대가 되지만, 지표에 흡수된 에너지가 축적되어, 일 최고기온은 오후 1-3시로 다소 지연되어 나타난다. 일몰 후 일사량은 없어지지만 이후에도 지면 복사의 방출은 계속되기 때문에 최저 기온은 일출 직후에 나타난다.

2-2) 기온의 일변화(역전층)

 

역전층: 비열(1g 온도를 1도 C 올리는 열량과의 비)이 작은 육지는 바다보다 쉽게 뜨거워지고, 쉽게 식는데, 이러한 특징 때문에 고도에 따라 온도가 상승하는 역전층이 지표 가까이에 생성됨.
비열이 작은 지표는 대기보다 더 빠르게 온도가 떨어지므로, 지표 가까이에 있는 곳의 기온이 지표에서 어느 정도 떨어져 있는 상층보다 더 낮아져 지면 역전층이 발생하여, 복사냉각이 발생하면서 안개가 발생하기도 한다.

3) 습도

습도는 공기 중에 수증기가 포함되어 있는 정도 또는 그 양이다. 

• 수증기압: 수증 기압은 혼합기체 중의 하나로 기체에 관련된 압력을 부분 압력이라 하고, 이 중에서 수증기의 부분 압력을 수증기압이라 한다.(단위는 hPa 또는 mb)
• 포화 수증기압: 어떠한 상태의 온도와 기압 조건에서 공기덩어리가 최대 수증기 양을 보유할 때 포화라고 하며, 이때 의 수증기압을 포화 수증기압( aturatedvapor pressure)이라 한다. 포화 수증기압은 온도가 높아질수록 커진다.
• 절대 습도 : 절대 습도는 1㎥ 공기 중에 포함되어 있는 수증기의 g 수. 공기덩어리에 수증기량의 변화가 없어도 기온이 변하면 절대 습도가 변한다.(공기의 팽창 또는 수축 때문)( 단위는 ㎏/㎥)
• 이슬점 온도(dew point) : 이슬점 온도는 공기가 포화되고 이슬이 맺히기 시작하는 점.
• 상대습도(RH, Relative Humidity) : 공기 중에 포함되어 있는 수증기의 양과 그 온도에서의 포화 수증기량을 백분율로 표현한 것. 또는 포화 수증기압에 대한 현재 수증기압의 비. 상대습도는 수증기량 외에도 온도의 영향을 받는다. 상대습도의 일변화는 기온의 일변화에 따라 달라지며 일반적으로 기온이 높을 때 습도가 낮고, 기온이 낮으면 습도가 높다. 일반적으로 습도라고 하면 상대습도를 말한다.
• 상대습도(RH)=(현재 수증기압)/(포화 수증기압)×100(%)

 

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2. 기압

기압이란 대기의 압력이다. 유체 내의 어떤 점의 압력은 모든 방향으로 균일하게 작용한다. 그러나 어떤 점의 기압이란 그 점을 중심으로 한 단위면적 위에서 연직으로 취한 공기 기둥 안의 공기 무게를 말한다.

1) 기압의 측정 단위

• 기압의 측정단위: 공식적인 기압의 단위는 hPa이며, 소수 첫째 자리까지 측정한다.
• 수은주 760mm의 높이에 해당하는 기압을 표준 기압이라 하고, 이것을 1 기압(atm)이라고 한다.
• 국제단위계(SI)의 압력 단위 1파스칼(Pa): 1㎥당 1N(1 뉴턴)의 힘.
• 1mb =1 hPa=0.750062mmHg
• 해면 기압: 평균 해수면 높이에서의 기압. 높이가 다른 여러 관측소의 기압을 해면에서 측정한 값으로 환산한 값으로, 일기도에는 해면 기압으로 표시한다.

2) 기압 고도계 설정 방식

 

항공기의 기압 고도계는 국제표준 대기를 근거로 하여 고도를 정의한다. 관제에 사용되는 전이 고도(Transitio n Altitude, Transition Level)는 나라마다 다르게 설정되어 있다. (우리나라 및 일본 14,000ft, 미국 18,000ft)
항공기 운영에 따라 기압 고도계 설정 방식도 다르게 다음과 같이 운영하고 있다.

• QNH : 관제탑에서 제공하는 고도 압력으로 항공기의 기압 고도계를 맞추는 방식이며, 조종사(자)가 해당 활주로로부터의 해면 고도를 맞추고, 장거리 비행 시는 주변 비행장에서 제공하는 고도 압력을 수정하면서 비행함. 우리나라에서 ＱＮＨ는 전이 고도 14,000ft 이하에서 사용되며, 장거리 비행의 경우 가까운 비행장에서 제공하는 고도 압력을 설정하면서 비행하여야 한다.
• QNE : 조종사(자)가 항공기의 고도계를 표준 대기압(29.92 inHg 또는 1013.25 hpa)에 맞추는 방식으로 우리나라는 14,000 feet 이상에서 적용함. 일반적으로 이것을 기압 고도라고도 한다.
• QFE : 기압 고도계를 현지 기압으로 맞추는 방식으로 활주로 출발 시에 0 feet로 맞추며, 주로 장주 비행 또는 Local 비행에서 주로 사용함
• QFE는 현지에서 로컬 비행할 때만 사용되고, 대부분은 QNH, QNE 방식을 채택한다.

3. 고기압과 저기압

1-1) 고기압의 뜻

고기압은 중심 기압이 주변보다 높은 곳의 기압이다.

1-2) 고기압의 특성

• 북반구에서는 고기압 내의 바람이 고기압 중심 주위를 시계방향으로 회전한다
• 남반구에서는 반시계 방향으로 회전하면서 바람이 불어 나간다.
• 등압선과 풍향이 이루는 각은 해상에서는 약 15° 정도이고, 육상에서는 지형이나 풍속에 의해 약 25~35°로 해상보다 크게 나타난다.

1-3) 고기압의 분류

• 온난 고기압: 온난 고기압 : 대기 대순환에 의해 역학적으로 생기는 고기압으로 키가 크고,
  중심이 주위보다 온난하여 상공으로 갈수록 더욱 고기압이 현저하고 거의 이동하지 않음.
• 한랭 고기압 : 겨울철 고위도 지방의 대륙에서 지표의 복사냉각에 의해 공기의 밀도가 커짐으로써 발생하는 고기압으로 매우 한랭한 특징이 있음

2-1) 저기압

중심 기압이 주변 기압보다 낮은 곳의 기압

2-2) 저기압의 특성

지상에서의 바람은 북반구에서는 저기압 중심을 향하여 반시계 방향으로 불어 들어오고, 강수는 공기가 수렴하는 저기압 중심 부근에서 발생하기도 함.

2-3) 저기압의 분류

• 온난 저기압 : 저기압 중심 부근의 기온이 주위보다 온난하고, 기온 감률이 완만하여 상층으로 갈수록 순환이 약화 소멸되며, 키가 작고 이동 속도도 빠름
• 한랭 저기압 : 저기압 중심 부근의 기온이 주위보다 한랭하고, 기온감률이 급하여 상층으로 갈수록 순환이 증가하고, 서서히 이동함

4. 바람

1) 바람.

바람은 공기의 지표면에 대한 상대적 운동이다. 온도와 습도의 변화를 가져오며, 풍속의 수평 성분이 수직 성분보다 크므로 기상관측에서는 수평 성분만을 대상으로 한다.

1-1) 풍향

풍향은 바람이 불어오는 방향을 말하는데, 평균 풍향을 의미한다. 8방위, 16방위 또는 32방위로 나타내며 지리학 상의 진북을 기준으로 하며, 항공에서는 36방위를 사용한다. 관제사가 제공하는 바람정보는 자북을 기준으로 3자리 수를 사용한다.

1-2) 풍속

풍속은 공기가 이동한 거리와 이에 소요된 시간의 비이다. 평균 풍속은 일정 시간에 대한 경우이다. 순간적인 값은 순간풍속이 더. 다만 풍속이라고 할 때에는 평균 풍속을 의미한다. 풍속의 단위는 m/s를 사용하며, km/hr, mile/hr, knot를 사용할 때도 있다. 기상전문에서는 노트(knot)를 주로 사용하는데  노트(knot)는 m/s의 약 2배이다.

1-3) 바람 속도(Wind Velocity)

바람 속도는 바람의 벡터 성분을 표현하는 것이다. 스칼라 양인 풍속(Wind Speed)과는 다르다. 바람 속도의 크기가 풍속이며, 풍속에 바람 방향 성분이 포함된 것이 바람 속도(Wind Velocity)이다.

1-4) 바람 시어(Wind Shear)

바람 시어는 바람 진행방향에 대해 수직 또는 수평 방향의 풍속 변화이다. 풍속 및 풍향이 갑자기 바뀌는 돌풍 현상이며, 수평으로 바람 시어가 발생하면 기압 불안정이 생겨서 소용돌이가 만들어지고, 연직으로 발생되면 기류가 흩어져서 청천난류 등이 발생한다.

2) 바람을 일으키는 힘

2-1) 기압 경도력

두 지점 사이에 압력이 다르면 압력이 큰 쪽에서 작은 쪽으로 힘이 작용한다. 이를 기압 경도력이라 하며, 기압 경도력은 두 지점 간의 기압차에 비례하고 거리에 반비례한다. 바람은 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 힘이 작용하고 등압선의 간격이 좁으면 좁을수록 바람은 더욱 세다.

2-2) 전향력(Coriolis Force, 코리올리 힘)

자전하는 지구의 표면을 따라 운동하는 질량을 가진 물체는 각 운동량 보존을 위해 힘을 받게 되는데 이를 전향력 또는 코리올리 힘이라 한다. 

2-3) 지표 마찰력

대기의 분자는 서로 충돌하면서 마찰을 일으키고 지면과도 마찰을 일으킨다. 이때 발생하는 마찰열은 대개 열에너지로 전환되며 대기의 운동을 복잡하게 만드는 원인이 된다

3) 지상 마찰에 의한 바람

3-1) 지상풍

등압선에 의한 바람은 지면이 거칠 경우 45도 이상까지 다양하게 틀어짐(북반구에서는 전향력 영향으로 우측으로 휨). 공기에 미치는 마찰 효과는 지면 근처에서 가장 크고 고도가 높아지면서 마찰의 영향은 빠르게 감소한다. 지면이 사막이나 평야 지역처럼 평탄할 경우 산악지형이나 대형 고층건물이 많은 도심 지역보다 지면 마찰 효과는 약하다.

3-2) 거스트(Gust, 돌풍)

일정 시간 내(일반적으로 10분간)에 평균 풍속보다 10 knot(5m/s) 이상의 차이가 있으며, 순간 최대 풍속이 17 knot(9m/s) 이상의 강풍일 경우 지속시간이 초 단위 일 때를 말한다. 돌풍이 불 때는 풍향도 급변하며 때로는 천둥을 동반하기도 하고 수 분에서 1시간 정도 계속되기도 한다.

3-3) 스콜(Squall, 국지성 호우)

스콜은 풍속의 증가가 매초 15 knot(8m/s) 이상, 풍속이 22 knot(11m/s) 이상에 달하고 적어도 1분 이상 그 상태가 지속되는 경우의 바람을 말하며, 갑자기 불기 시직하여 몇 분 동안 계속된 후 갑자기 멈추는 바람으로 풍향이 급변할 때가 많음

3-4) 태풍(열대성 저기압)

열대성 저기압은 중심부의 최대 풍속이 33 knot(17m/s) 이상일 때를 말하며, 폭풍우를 동반한다. 태풍의 눈 : 태풍의 중심부를 말하며 중심 부근에서는 기압 경도력과 원심력이 커지므로  전향력과 마찰력도 따라서 커지게 되어 10 knot(5m/s) 이하의 미풍이 불게 되고 비도 내리지 않음. 태풍의 발생장소 : 태풍의 에너지원인 따뜻한 수분(잠열)과 회전력을 뒷받침할 수 있는 기압 경도력이 존재하는 북위 5도-25도와 동경 120도-170도 사이의 범위 내에서 발생함.

4) 국지풍 :해륙풍, 산곡풍, 높새바람

4-1) 해륙풍

육지와 바다의 비열 차이로 밤낮의 해상과 육상의 기온 경도가 바뀌게 되어 밤에는 육풍, 낮에는 해풍이 부는 해륙풍이 불게 된다. 낮에 육지가 바다보다 빨리 가열되어 육지에 상승 기류와 함께 저기압이 발생되어
부는 해륙풍(밤에 육지가 바다보다 빨리 냉각되어 육지에 하강기류와 함께 고기압 발생)이 분다.

• 낮 : 바다 –육지로 공기 이동(해풍)
• 밤 : 육지 – 바다로 공기 이동(육풍)

4-2) 산곡풍

산악풍과 곡풍은 산악지역에서는 주간에 대기가 뜨거워지면 상승기류가 산맥을 따라 경사를 이루어 위로 올라간다. 반대로 야간에는 대기가 냉각되면서 하강기류가 발생하여 산 정상에서 아래로 경사를  따라 내려오는데, 이런 현상을 전자는 곡풍이라 부르고 후자는 산악 풍이라 한다.

• 낮 : 골짜기- 산 정상으로 공기 이동 (곡풍)
• 밤 : 산 정상 – 산 아래로 공기 이동 (산풍)

4-3) 높새바람

공기가 뜨거워지고 건조하면 단열성 압축 현상 때문에 대기의 기류가 경사를 따라 내려간다. 이런 현상은 우리나라 동해 지역에서 흔히 나타나는데, 즉, 태백산맥을 기점으로 하여, 서쪽에서 습한 차가운 바람이 산을 올라가면서 구름을 형성하고 산 정상 부근에서 비를 내린 후, 건조한 공기가 서쪽으로 산을 내려가면서 온도가 높아지는 현상이 발생한다. 

 

산 정상을 오르는 습기를 머금은 공기 덩어리는 습윤 단열 변화가 발생하여 1km 상승할 때마다 약 5도 C 정도의 온도가 감소하게 되고 산 정상에서 건조한 공기덩어리로  변화되어 산을 내려오면서 건조 단열 변화가 발생하여 1km 하강할 때마다 약 10도 C 정도의 온도가 상승하게 된다.

5. 기단

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