성층권

성층권은 지구 대기권의 한 영역으로 대류권 위에, 중간권 아래에 위치한다(그림 1 참조). 고도는 평균적으로 대략 10 km에서 50 km 사이이다. 극 지역에서는 낮고 적도 지역에서는 높다. 고도가 높아질수록 기온이 올라가는 경향이 있는데, 태양으로부터 오는 자외선을 흡수하여 가열되기 때문이다. 이러한 온도 분포 때문에 대류권과 반대로 성층권은 열적으로 안정되어 있어 대류가 일어나지 않는다. 자외선을 흡수하는 오존이 밀집되어 있는 고도 25 km 부근을 오존층이라고 부르기도 한다.

성층권의 존재는 1902년 프랑스 대기과학자 드보르(Léon Teisserenc de Bort)와 독일 대기과학자 아스만(Richard Assmann)에 의해 처음 알려졌다, 이 과학자들은 고도 11-14 km인 영역이 고도에 따라 기온이 거의 일정하다는 점에서 그 아래의 대류권과는 뚜렷하게 다르다는 사실을 발표하였다. 이곳이 바로 하부 성층권의 바닥이다. 기온은 하부 성층권에서는 고도에 따라 변화가 거의 없거나 아주 작은 증가를 보이지만, 상부 성층권에서는 고도에 따라 뚜렷이 증가하는 양상을 보인다.

성층권은 태양 자외선 복사로 태양 활동의 영향을 받고 있으며, 지표면에 도달하는 태양 복사량을 조절하거나 대기 대순환 조절 기능으로 지구 기후에 영향을 줄 수 있다.

그림 1. 고도에 따른 기온 변화. 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분할 수 있다.(출처: 장헌영/이지원/한국천문학회)

목차

성층권은 적도 지역에서는 고도 20km에서부터, 중위도 지역에서는 10km에서부터, 그리고 극 지역에서는 7 km에서부터 시작된다. 온도는 고도에 따라 증가한다. 평균적으로 대류권에 가까운 하부에서는 -51°C이고 중간권에 가까운 상부에서는 -15°C이다. 온도는 또한 계절에 따라 달라지고 밤낮에 따라서도 달라진다.

밀도가 낮아 저항이 작으면서도 항공기에 충분한 양력을 제공할 정도의 공기는 있는 성층권 하부는 기층이 안정하기 때문에 항공기의 항로로 이용된다. 이영역이 항공기 항로로 선호되는 또 다른 이유는 기온이 가장 낮다는 점이다. 일반적으로 제트 엔진은 외부 기온이 낮을수록 효율적이기 때문에 이 고도에서 연료 효율이 최대가 된다.

성층권은 열적으로 안정하기 때문에 대류가 일어나지는 않지만, 그렇다고 해서 아무 기류도 없는 조용한 곳은 아니다. 사실 성층권에서 부는 바람은 대류권에서 부는 바람보다 훨씬 빠르다. 남극 지역에서는 초속 60 m를 넘기도 한다.

성층권에서는 브루어-돕슨 순환이라고 알려진 거대 기류가 존재한다. 이는 열대 지역에서 극 지역까지 걸치는 기류의 단일 세포 순환이다(그림 2 참조). 이 순환은 열대지역 공기가 상승하면서 생긴다. 이 순으로 열대 성층권에 있던 오존이 극 성층권으로 이동하기 때문에, 극 지역에는 오존이 많이 분포하게 된다.

그림 2. 브루어-돕슨 순환과 오존의 분포.()

성층권에서는 준격년진동이라는 현상이 일어난다(그림 3 참조). 준격년진동은 열대 성층권의 적도대 바람이 28개월 정도의 주기로 동풍에서 서풍으로 그리고 다시 동풍으로 바뀌는 현상이다. 열대지역 대류권에서 발생한 중량파(gravity wave)에 의해 만들어진다. 아래로 진행하여 소멸하는데, 동풍의 하향 움직임이 일반적으로 서풍의 하향 움직임보다 진폭이 두배 정도되며 불규칙하다.

군격년진동에 의한 2차 순환은 성층권의 오존, 수증기 등의 혼합, 몬순 강수량 등에 영향을 주어 성층권 기온 상승, 대서양 제트류 등을 야기해 미국과 북유럽의 기후에도 큰 영향을 준다. QBO는 대서양에서 발생하는 허리케인의 발생 시기와 발생 빈도에도 영향을 주고 엘리뇨 남방 진동(El Niño–Southern Oscillation, ENSO)과도 밀접하게 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

그림 3. 높이에 따른 풍속을 시간에 따라 나타낸 자료에 나타난 준격년진동. 풍속이 양인 경우는 서풍을 나타낸다.()

성층권에서 고도가 높아질수록 온도가 증가하는 것은 오존의 광분해와 재결합이 성층권을 가열하기 때문이다. 오존층은 성층권에서 오존의 함량이 상대적으로 높은 층으로서, 고도는 25 km 내외이다. 프랑스 물리학자 패브리(Charles Fabry)와 뷔슨(Henri Buisson)이 1953년에 발견하였다. 오존층은 자외선을 흡수하여 지표에 도달하는 자외선 양을 줄여 육상 생물을 보호한다.

1930년 영국 물리학자 채프만(Sydney Chapman)은 성층권 오존의 기원과 성층권 내에서 오존이 어떻게 열을 발생시키는지 설명하였다. 산소 분자가 태양에서 오는 자외선에 의해 산소 원자로 분해되는데 이 때 발생한 산소 원자가 다시 산소 분자와 결합하여 성층권 오존이 생성된다. 자외선은 오존을 분해해 산소 분자와 산소 원자를 만들기도 하는데 이 두 반응이 오존-산소 순환 반응을 구성하여 오존이 일정량을 유지하게 된다.

오존층은 기후 변화에도 연관이 있다. 오존층의 오존의 양이 감소하면 지표에 도달하는 태양 복사량이 증가하여 지구의 기온을 상승시킬 수 있어 지구 열수지에 변화가 생긴다. 뿐만 아니라 오존층의 오존이 감소하면 성층권의 기온도 내려가게 되는데 이로 대기대순환의 흐름이 달라질 수 있다. 따라서, 오존층의 오존에 영향을 주는 태양 복사나 태양 자기장 활동이 지구 기후에 어떤 영향을 주는지 연구하는 것이 필요하다.

암스트롱 한계(Armstrong limit)는 대기압이 낮아 사람의 체온에서 물이 끓게 되는 고도이다. 18,900 - 19,350 m에 해당하는데 성층권에 해당된다. 이 고도 이상에서는 우주복의 도움이 없이는 인간이 생존할 수 없다. 미공군 의약품 연구소 설립자이자 이 현상을 처음으로 인식한 암스트롱(Harry George Armstrong)의 이름을 따서 이름 지어졌다.