열권

열권은 지구 대기권의 한 영역으로 중간권 위에 위치하며 위로는 외기권(exosphere)에 접한다(그림 1 참조). 고도가 80 km 이상인 영역으로서 지구의 대기권 가운데 밀도가 가장 낮고 온도가 가장 높은 층이다. 고도가 200-300 km보다 낮은 열권 하층부에서는 온도가 급격하게 증가하고 그 이후로는 온도가 완만하게 증가한다. 태양에서 오는 자외선을 열권에 있는 질소나 산소 원자가 흡수하기 때문에 고도가 높아질수록 온도가 증가한다. 태양 활동성은 열권의 기온에 영향을 많이 준다. 예를 들어 열권의 온도는 낮이 밤보다 약 200 °C 더 높은데, 태양 활동이 활발할 때는 그렇지 않을 때보다 약 500°C 더 높다.

열권은 지구의 대기층이지만 실제로 공기의 밀도가 너무나 낮기 때문에 우주 공간으로 볼 수도 있다. 실제로 지구와 우주 공간의 경계라고 여겨지는 칼만선보다 고도가 높다. 우주왕복선(space shuttle)과 국제우주정거장(International Space Station, ISS) 궤도는 모두 열권에 포함된다.

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

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전도에 의한 열 이동을 고려해서 온도의 분포를 계산하면 이론적으로 온도가 더 이상 증가하지 않는 경계가 존재한다. 이를 열권계면이라고 한다. 열권계면의 고도는 태양의 활동성에 따라 250 km에서 500 km까지 변한다. 열권계면보다 높은 고도에서 대기의 온도는 300 °C에서 1600 °C 정도로 일정하게 유지된다. 외기권은 평균자유경로(mean free path)가 수백 km 혹은 그 이상이 되어 실질적으로 입자의 충돌이 거의 없다고 생각되는 고도에서 시작된다. 이곳부터는 운동 온도라든지 유체역학적 법칙들이 적용되지 않는데, 열권계면의 온도를 어떻게 정하느냐에 따라 외기권은 350 km혹은 800 km에서 시작된다고 할 수 있다.

대기의 밀도는 고도가 0km에서 100 km로 증가하면 백만배 정도 작아지고, 100 km부터 500 km까지 증가하면 100,000배 작아지며, 500 km에서 1000 km 구간에서는 100배 정도만 작아진다. 열권에서 밀도가 이렇듯 느리게 감소하는 것은 평균 분자량의 감소와 온도의 증가 때문이다. 기체 확산에 의한 평균 분자량의 감소는 열권 상부의 등온 지역에서 중요한 역할을 한다.

인공위성 관측 결과에 의하면 열권의 대기 밀도는 여러 요소에 따라 변화하고 있음을 알 수 있다. 이 중 가장 중요한 5가지 요소는 11 년 주기의 태양 활동, 27 일 기간의 변동에 해당하는 태양 자전, 주야간의 밀도 변화를 일으키는 지구 자전, 단기간 혹은 급격한 변화를 야기하는 지자기 활동, 마지막으로 4월과 10월에 최대가 되고 7월에 제1 최저, 1월에 제2 최저가 되는 반년 변화이다.

태양의 자외선과 엑스선에 의해 중성 기체가 전리되는데, 대기의 밀도가 매우 낮기 때문에 중성 기체 입자와 전리된 기체 입자들이 서로 충돌할 확률이 매우 낮다. 따라서, 이 영역에서 중성 기체와 전리된 기체들이 독립적으로 운동한다. 전리권 가운데 E층과 F층이 열권에 속한다. 고도 약 90-130km에 있는 E층은 방송파를 반사하며 고도 150-300km에 있는 F층은 단파를 반사한다.

출현 시기, 위도와 종류에 따라 오로라가 나타나는 고도가 다르지만 주로 80- 수백 km 구간에서 발생한다. 100-250 km 사이에 존재하는 산소 원자는 초록빛으로 빛나며, 250 km 이상의 고층에서는 주로 적색으로 빛난다. 적색 오로라는 초록색 오로라보다 높은 곳에서 만들어지므로 상대적으로 멀리서 관측된다.

태양의 활동에 따라 극대기 때 열권은 가열되어 팽창하기도 하고 반대로 극소기 때 수축하기도 한다. 이러한 특성에 근거해서 열권에서 방출되는 적외선 양을 이용한 태양 활동성 감시 지수가 제안되었다. 그림 2는 NASA의 TIMED 위성에 탑재된 SABER에서 측정한 값으로, 이 지수를 열권기후지수(Thermosphere Climate Index, TCI) 부른다.

그림 2. 열권기후지수(Thermosphere Climate Index).(출처: Mlynczak, MG et al, 2018, JASTP, 174, 28-31 )