기상학 - 대기를 어떻게 이루어질까?(1)

기상학을 배우는 이유

• 항공기가 비행을 할 때 인간의 힘으로 통제할 수 없는 것들이 있다. 대표적으로 기상이다. 비행을 하다보면 날씨가 좋기만 했으면 좋겠지만 그럴 순 없다. 위험한 날씨에도 비행을 해야할 때가 있다. 그렇다면 보다 안전한 비행을 위해서는 정말 위험한 것과 충분히 감당가능한위험인지를 구분할 수 있어야한다. 보다 정확한 판단을 내리기 위해 기상학을 공부해야한다. 대기의 구조에 대해 잠깐 알아보고 주로 기상현상과 공기의 특성에 대해 알아볼 것이다.

대기의 구조

• 지구에 있는 공기는 78%의 질소, 21%의 산소, 그리고 1% 기타 분자들로 구성되어 있다. 공기를 구성하는 이 비율은 높이에 상관없이 일정하며 water vapor 여부에 따라 조금 달라질 뿐이다.
• 지구의 대기는 지상을 기준으로 높이 올라갈수록 대기의 특징들이 나타나는데 그 특징을 기준으로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 4개의 층으로 분류할 수 있으며 주로 항공기가 비행하는 대류권 그리고 성층권을 중점적으로 알아보자.

출처 : FAA-H-8083-25B

대류권은 무엇인가?

• 대류권은 이름에서 알 수 있듯이 공기가 대류하는 특징을 가진 층이다. 그러면 대류란 무엇일까? 대류란 뒤에서 자세히 다루겠지만 간단하게 정의하면 위쪽의 차가운 공기가 하강하고 아래쪽의 따뜻한 공기가 상승하는 현상을 말한다.



출처 : AC-00-6B

• 그러면 한가지 궁금증이 생긴다. 왜 대류권의 위쪽 공기는 차갑고 아래쪽 공기는 따뜻할까? 그 이유는 태양열에 의해 지표면이 뜨거워지기 때문에 지표면에서 가장 가까운 공기의 온도가 가장 높고 지표면으로 멀어질수록 온도가 낮아진다. 이 대류 현상때문에 지구에서 발생하는 대부분의 기상현상이 대류권 내에서 발생하게 되며 기상현상을 피하기 위해 민간 항공기들은 대류권 위를 비행하는 것을 선호한다.
• 대류권의 높이는 위도에 따라 다르다. 그 이유는 온도 차에 있는데 예를 들어 적도 부근의 공기들은 온도가 높다. 온도가 높은 대기는 서로 넓게 퍼지려는 특징이 있어 대류권이 더 높이까지 형성된다. 적도 부근은 지표면으로부터 16~18km까지 대류권이며 극지방은 대략 8km정도까지 형성된다.
• 대류권계면
  1. 대류권계면이란 대류권과 성층권을 구분 짓는 경계면이라고 생각하면 된다. 대류권과 대류권계면을 구분할 수 있는 특징은 온도에 있다. 대류권은 고도가 상승하면 점점 온도가 하락한다. 하지만 대류권계면에 도달하면 온도의 하락이 멈춰지게 된다.

  

  출처 : CAE Oxford Aviation Academy - Meteorology

  2. 대류권계면이 존재하는 고도는 그 날의 온도에 따라 달라지게 되는데 예를 들어 여름의 경우 대류권계면이 높은 고도에 형성된다. 그 이유는 온도가 높은 공기는 높은 곳까지 퍼지려는 특성을 가지기에 대류권이 더 높게 형성되고 대류권계면의 높이 또한 높아진다. 같은 날이라도 위도에 따라 대류권계면이 높이는 다르다. 극지방일수록 온도가 낮아 더 낮은 고도에 대류권계면이 형성된다.

  

  출처 : AC-00-6B

  3. 대류권계면이 형성된 높이는 비행을 할 때 정말 중요한 요소인데 그 이유는 대류권에서 대부분의 기상 현상이 발생하기 때문에 대류권계면에서 비행을 할 경우 구름이 없고 좋은 날씨 속에서 비행을 할 수 있다. 또한 대류권계면이 시작하는 시점은 나중에 알아볼 Jet stream과 Clear Air Turbulence와 연관이 있기에 운항에 있어 매우 중요하다.