지구과학 고2 대기와 해양의 상호작용

성층권

약 12~50 km, 오존층이 자외선을 흡수해 기온이 상승하는 역전층으로 대류 없이 안정하다.

지표에서 약 12~50 km 사이의 대기층으로, 오존층이 자외선을 흡수해 위로 올라갈수록 기온이 높아지는 층입니다.

위쪽이 뜨겁고 아래쪽이 차가운 방을 생각해 보세요. 뜨거운 공기가 이미 위에 있으니 아무것도 올라가려 하지 않습니다. 성층권이 그렇게 '뚜껑'처럼 조용한 이유입니다.

쉽게 말하면

대기 조성과 층상 구조에서 대기를 네 층으로 나누는 기준이 '높이에 따른 기온 변화'라는 것을 배웠습니다. 성층권을 성층권으로 만드는 것은 바로 이 기온 분포가 뒤집혀 있다는 점입니다. 대류권에서는 위로 갈수록 추워지지만, 성층권에서는 위로 갈수록 따뜻해집니다.

이유는 열의 공급원이 어디 있느냐에 있습니다. 대류권은 태양빛에 데워진 지표가 아래에서 데워 주므로 아래가 뜨겁습니다. 반면 성층권은 그 안에 있는 오존이 태양의 자외선을 직접 흡수해 스스로 데워집니다. 자외선은 위에서 내려오므로 위쪽 오존이 먼저, 더 많이 흡수합니다. 그래서 성층권 위쪽이 더 뜨겁습니다.

이 '위가 뜨겁고 아래가 찬' 구조를 기온 역전이라고 하고, 이런 층은 매우 안정합니다. 아래의 찬 공기는 무거워서 스스로 올라가지 못하고, 위의 더운 공기는 가벼워서 내려오지 않습니다. 대류가 일어나지 않으니 구름도 날씨도 거의 없습니다. 장거리 여객기가 대류권 꼭대기 부근에서 성층권 아래쪽을 따라 나는 것은 이 안정함(난기류와 구름이 적음) 덕분입니다.

다만 안정하다는 것에는 대가가 있습니다. 성층권까지 올라간 물질은 대류로 씻겨 내려오지 않아 아주 오래 머뭅니다. 성층권에 도달한 오염 물질이 오랫동안 영향을 주는 이유이며, 오존층 문제가 심각해진 배경이기도 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

성층권 안에서 기온이 오르는 방향

성층권 아래쪽(약 12 km 부근)은 대기 전체에서 가장 추운 축에 드는 구역이고, 성층권 꼭대기(약 50 km)로 갈수록 기온이 올라갑니다. 오존이 자외선을 흡수해 데워 주기 때문입니다. 오존 농도 자체가 가장 높은 높이와 기온이 가장 높은 높이가 서로 다르다는 점이 흥미로운데, 위로 갈수록 공기가 희박해 같은 양의 에너지로도 온도가 더 많이 오르기 때문입니다.
예시 2

화산 폭발로 성층권에 올라간 화산재

강한 화산 폭발은 화산 가스와 재를 성층권까지 올려 보냅니다. 대류권에 머문 재는 비에 씻겨 며칠이면 사라지지만, 성층권에 올라간 것은 씻어 내릴 비가 없어 오래 남아 햇빛을 가립니다. 대규모 화산 분출 뒤 지구 평균 기온이 잠시 내려가는 일이 관측되는 것은 이 때문입니다.
예시 3

비행기가 성층권 하부를 나는 이유

대류가 없으니 상승·하강 기류로 인한 흔들림이 적고, 소나기구름을 뚫을 일도 없습니다. 공기가 희박해 연료 효율도 좋습니다. 창밖으로 구름이 늘 아래에 깔려 있는 것은 구름을 만드는 대류가 대류권에서 멈추기 때문입니다.

자주 하는 오해

성층권이 따뜻한 이유를 '태양에 더 가까워서'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움높이 올라갈수록 태양에 가까우니 성층권이 대류권보다 따뜻하다

실제로는성층권 안의 오존이 자외선을 흡수해 데워지기 때문입니다. 태양까지의 거리는 사실상 똑같습니다.

지구에서 태양까지는 약 1억 5천만 km입니다. 50 km 올라가 봐야 거리는 거의 변하지 않습니다. 만약 거리가 이유라면 대류권에서도 위로 갈수록 따뜻해져야 하는데 실제로는 반대입니다. 층마다 기온 변화의 방향이 다른 것은 '그 층에서 무엇이 에너지를 흡수하는가'가 다르기 때문입니다.

'안정하다'를 '공기가 움직이지 않는다'로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움성층권은 안정하니까 바람도 없고 공기가 정지해 있다

실제로는안정하다는 것은 '연직(위아래) 운동이 억제된다'는 뜻입니다. 수평 방향의 바람은 오히려 매우 강할 수 있습니다.

대기 안정도는 공기 덩어리를 위로 밀었을 때 다시 제자리로 돌아오려 하는지를 따지는 개념입니다. 성층권에서는 위가 더 따뜻하니 올라간 공기가 주변보다 차고 무거워져 곧 되돌아옵니다. 위아래 섞임은 막히지만, 옆으로 부는 바람과는 별개의 이야기입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

대기 조성과 층상 구조고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

오존층고2

같은 단원의 개념 — 대기와 해양의 상호작용

자주 묻는 질문

Q1오존층은 성층권 어디쯤에 있나요?

성층권 중에서도 아래쪽, 대략 20~30 km 부근에 오존이 가장 많이 모여 있습니다. 그런데 기온이 가장 높은 곳은 성층권 꼭대기 근처입니다. 오존이 많은 곳과 가장 뜨거운 곳이 어긋나는 것이 성층권 이해의 첫 관문입니다.

Q2성층권에도 구름이 생기나요?

대류가 없어 일반적인 구름은 만들어지지 않습니다. 다만 극지방의 겨울처럼 성층권이 매우 차가워지는 특수한 조건에서는 극 성층권 구름이 생기고, 이것이 극지방 오존 파괴와 관련이 있다고 알려져 있습니다.

Q3성층권과 대류권의 경계는 왜 위도마다 높이가 다른가요?

이 경계(대류권 계면)는 대류가 닿는 꼭대기라고 보면 됩니다. 적도는 지표가 강하게 데워져 대류가 높이 치솟으므로 경계가 높고(약 16~17 km), 극지방은 대류가 약해 경계가 낮습니다(약 8~10 km).

교육과정 2022 개정 · 고2 지구과학 · 대기와 해양의 상호작용 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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성층권을 따뜻하게 만드는 주인공을 직접 들여다볼 차례입니다. 오존층에서 오존이 어떻게 자외선을 흡수하고, 왜 구멍이 뚫렸는지 확인해 보세요.

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