지구과학 고2 대기와 해양의 상호작용

대기 조성과 층상 구조

Q: 대기의 산소는 처음부터 있었나요?

아닙니다. 초기 지구의 대기에는 산소가 거의 없었고, 광합성을 하는 생물이 등장한 뒤에야 산소가 쌓이기 시작했습니다. 지금의 대기 조성은 지구의 역사와 생물이 함께 만든 결과입니다.

대기의 화학 조성과 대류권·성층권·중간권·열권의 층상 구조 및 기온 분포를 이해한다.

대기는 질소와 산소가 대부분을 이루는 기체 혼합물이며, 높이에 따른 기온 변화를 기준으로 대류권·성층권·중간권·열권의 네 층으로 나뉩니다.

층을 나누는 자는 '높이'가 아니라 '기온이 오르느냐 내리느냐'입니다. 기온 곡선이 방향을 꺾는 자리마다 경계선을 그었다고 보면 됩니다.

쉽게 말하면

기권과 날씨에서 본 것처럼 공기는 여러 기체가 섞인 혼합물입니다. 수증기를 뺀 건조 공기를 기준으로 질소가 약 78 %, 산소가 약 21 %이고, 나머지 1 % 남짓을 아르곤과 이산화 탄소 등이 채웁니다. 지표에서 약 80 km까지는 대류와 확산이 계속 섞어 주기 때문에 이 비율이 어느 높이에서나 거의 같습니다.

조성이 거의 변하지 않는데도 대기를 네 층으로 나누는 이유는, 층을 가르는 기준이 조성이 아니라 기온의 연직 분포이기 때문입니다. 각 높이에서 '무엇이 태양 에너지를 흡수하는가'가 다르고, 그에 따라 기온 곡선이 내려갔다 올라갔다를 반복합니다.

대류권에서는 태양이 먼저 지표를 데우고 지표가 공기를 데우므로, 열원에서 멀어지는 위쪽이 더 춥습니다. 성층권에서는 오존이 자외선을 흡수해 위쪽이 더 따뜻해지고, 아래가 차고 위가 따뜻하니 뒤집히지 않아 매우 안정합니다. 중간권은 다시 위로 갈수록 추워져 대류는 일어나지만 수증기가 거의 없어 구름이나 비는 생기지 않습니다. 열권에서는 공기 분자가 태양의 X선과 강한 자외선을 직접 흡수해 위로 갈수록 기온이 올라갑니다.

기압은 사정이 다릅니다. 기압은 그 위에 얹힌 공기의 무게이므로 어느 층에서나 위로 갈수록 줄어들기만 합니다. 기온처럼 오르내리지 않으니 경계를 그을 자리가 없고, 그래서 기압은 층 구분의 기준이 되지 못합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

조성표에 수증기가 빠져 있는 이유

수증기는 사막에서는 거의 0에 가깝고 열대 바다 위에서는 몇 %까지 올라갑니다. 장소와 시간에 따라 크게 변하는 성분을 넣으면 표 자체가 흔들리므로, 조성은 수증기를 뺀 '건조 공기'를 기준으로 적습니다. 하지만 날씨를 만드는 주인공은 바로 이 빠져 있는 수증기입니다.
예시 2

오존이 없다면 성층권도 없다

성층권이 별도의 층으로 존재하는 이유는 그 안에 오존이 있어 자외선을 흡수하기 때문입니다. 오존이 없다면 위쪽이 따뜻해질 이유가 사라지고, 기온은 계속 내려가기만 해서 대류권이 훨씬 높은 곳까지 이어졌을 것입니다. 층의 정체를 정하는 것은 '높이'가 아니라 '흡수체'라는 점을 보여 줍니다.
예시 3

대류권은 얇지만 무겁다

대류권의 두께는 대기 전체 높이에 비하면 아주 얇지만, 대기 질량의 약 4분의 3이 이 안에 들어 있습니다. 기압이 위로 갈수록 빠르게 줄어들기 때문입니다. 우리가 겪는 날씨가 전부 대류권에서 일어나는 것도 공기가 여기에 몰려 있기 때문입니다.

대기 네 층 비교

층	대략적 높이	기온 변화	대류와 기상
대류권	지표~약 12 km	위로 갈수록 하강	대류 활발, 날씨 현상이 일어남
성층권	약 12~50 km	위로 갈수록 상승	안정, 대류 없음(오존층이 있음)
중간권	약 50~80 km	위로 갈수록 하강	대류는 있으나 수증기가 없어 기상 현상 없음
열권	약 80 km 이상	위로 갈수록 상승	공기가 매우 희박, 오로라가 나타남