대류권, 성층권, 중간권, 열권의 특성 2 - 성층권

지난 포스팅에서, 대류권에 대하여 간단하게 알아 보았다. 이번 포스팅에서는 성층권에 대하여 알아볼 것이다.

(아래 링크 참조)

대류권, 성층권, 중간권, 열권의 특성 1 - 대류권

<성층권의 구조(stratosphere)>

<우주왕복선 엔데버 호가 성층권(stratosphere)과 중간권(mesosphere)을 가로지르고 있다. 주황색은 대류권, (출처 : 위키피디아)>

  1. 성층권

성층권은 오존이 존재하고 고도가 상승함에 따라 온도가 높아져 공기의 연직방향이나 수평방향 흐름을 거의 기대하기 힘든 굉장히 안정한 층이다. 구름의 최상부는 아무리 높아도 대류권계면 인근에 깔려있고, 그 위로는 말 그대로 구름 한 점 없다. 기상현상이 나타나지 않기 때문에 당연한 현상이다. 그리고 비행기는 대류권을 비행하는 것 보다 훨씬 안정적으로 비행할 수 있다. 이에 장거리 여객기들은 대류권계면 보다는 다소 높은 고도에서 비행한다.

성층권에서 온도가 상승하는것은 오존 때문이다. 오존은 성층권에서 자외선을 흡수하는 형태로 공기의 온도를 가열시킨다. 그리고 오존의 농도가 가장 높은 곳은 고도 약 25km 전후 지역이다. 오존이 자외선을 흡수하는 과정을 아래와 같은 간단한 화학식으로 표현할 수 있다.

 

산소 분자는 성층권까지 내려온 자외선을 흡수하여 2개의 산소 원자로 쪼개진다.

$$O_2+U.V→2O$$

 

쪼개진 산소 원자는 주변에 아직 쪼개지지 않은 산소분자와 충돌하여, 오존 분자를 만든다. 이 때 제3의 분자 M이 반응의 촉매와 같은 역할을 한다.

$$O_2+O+M→O_3+M$$

 

산소원자 3개가 합쳐진 오존은 자외선을 흡수하며 하나의 산소원자(O)와 하나의 산소분자(O2)로 쪼개진다. 산소원자와 산소분자는 다시 충돌하여 오존을 만든다.

$$O_3+UV→O_2+O$$

$$O_2+O+M→O_3+M$$

 

이것이 무한 반복되며 자외선을 흡수하게 된다.

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결국 이 과정에서 자외선이 대부분 흡수되며, 지표면으로는 거의 내려오지 못하는 것이고, 이 과정에서 흡수되는 자외선으로 인해 성층권의 온도는 고도가 증가함에 따라 상승하게 된다. 

 

그런데 여기서 다소 의문이 생길 수 있는점이 있다. 오존 농도가 가장 높은 곳은 25km이면, 이 고도에서 가장 많은 양의 자외선을 흡수할 터이고, 25km 고도에서 가장 온도가 높아야 하는데, 실제로는 그렇지 않고 성층권 전체 영역에서 온도는 지속적으로 상승한다. 이는 성층권의 상부에 있는 적은양의 오존 분자가 먼저 훨씬 파장이 짧고 에너지가 강한 자외선을 먼저 흡수하기 때문이다.

 

성층권 하부의 온도는 -50정도로 말도 안되게 낮다. 하지만 성층권의 상부 온도는 대략 0~10도 정도이다. 고도가 꾀 높은것에 비해 온도가 그리 낮지많은 않다. 성층권과 중간권의 경계를 성층권계면이라고 하며, 대략적으로 약 50km 수준에 위치한다.

 

  2. 오존의 두 얼굴

오존은 인류를 비롯하여 지구 생명체들에게 없어서는 안될 중요한 존재이다. 만약 오존이 없으면 태양복사의 자외선이 그대로 지면까지 내려와 생명체에 매우 치명적일 수 있다. 그런데 오존 자체는 호흡기에 그리 좋지 못한 기체이다.

 

도심지에서는 오존농도를 측정하여 발표하곤 한다. 이 오존농도는 지표면의 오존의 농도를 측정하여 발표하는 것인데, 성층권의 오존층이 파괴되고, 지면에 대기오염물질이 많으면 지표면의 오존농도가 증가하게 된다. 원인은 간단하다. 성층권을 통과하고 완전히 차단되지 않은 자외선이 지표면 까지 내려오면, 지표면의 산소분자가 쪼개져 산소원자가 되 버린다.(위의 화학식 참고) 문제는 이 때 대기중의 오염물질이 훌륭한 촉매제가 되어 산소원자와 산소분자의 충돌을 활성화시켜 오존분자를 아주 잘 만들어 버린다.

 

이렇게 만들어진 오존분자는 사람의 호흡기에 매우 좋지 못하다고 한다. 오존의 양면성에 대한 내용은 아래 포스팅을 참고 바랍니다.

좋기도, 나쁘기도 한 오존의 이중성

 

다음 포스팅에서는 중간권과 열권에 대하여 알아볼 것이다.

대류권, 성층권, 중간권, 열권의 특성 3 - 중간권과 열권