지구의 기권 생물권과 함께 지구와 다른 무생명체 행성과의 차이를 만드는 요인 원시기권(태양성운에 포함된 기체로 구성)의 소멸 - 45억년전 현재 지구기권의 기체 - 화산에서 방출 (수증기, 질소, 암모니아, 메탄, 이산화탄소, No O2) 40~45억년전 - 강우시작 (지구표면 냉각, 수증기 응결), 바다 형성 CO2 농도 - 현재의 100배 이상, 상대적 고온의 기권 35~38억년전 - 원시 미생물의 출현 (바다) 산소 생성, 이산화탄소 제거 → 기온 강하

기권의 조성과 구조 기권 유동의 원천 - 태양의 열 - 태양복사에너지(전자복사-태양으로부터 방출되는 에너지의 1/20억 이하), 국지적 일기 현상을 일으키는 에너지원 - 지구의 자전 - 공기의 대규모 움직임  복사 (radiation) 또는 전자기 복사 - 매개체 없이 열이 전달 (진공)  다양한 파장의 에너지들이 태양복사로 방출 - 라디오파 ~ 감마선

기권의 조성과 구조 복사법칙 - 어떤 온도의 물체라도 복사에너지를 방출한다. - 물체의 온도가 높을수록 단위 면적당 더 많은 에너지를 방출한다. - 물체의 온도가 높을수록 더 짧은 파장에서 최대 복사에너지를 방출한다. (태양 - 0.5μm의 가시광선 파장대 → 단파복사, 지구 - 10μm의 적외선 파장대 → 장파복사) - 복사에너지를 잘 흡수하는 물체가 복사에너지를 잘 방출한다. (지표, 태양 - 완전한 복사체, 기체 - 선택적 복사체)

입사하는 태양복사 지표에 직접 도달하는 태양복사는 25%; 75%는 대기에 흡수, 산란, 반사 1. 산란 1. 산란  - 대기 중의 기체나 먼지 입자들이 태양복사의 방향을 변경 - 일부는 우주공간으로 산란, 나머지는 지구로 복사방향이 바뀌어 도달 - 산란 ∝ 1/파장 → 파란 하늘

입사하는 태양복사 2. 알베도 (albedo) - 지표에 의해 반사되는 복사에너지 비율 - 지구 전체의 알베도 = 약 30% - = f (구름의 양, 대기 중 먼지, 태양고도, 지표면 특징) → 시간과 장소에 따라 차이 - 대기 상부에 입사하는 태양 에너지의 약 30%는 우주로 반사 - 대기에 영향 없음

입사하는 태양복사 3. 흡수 - 기체는 파장에 따라 선택적 흡수 - 기체의 내부 분자운동으로 전환되어 대기 온도상승 - 질소 - 태양복사를 거의 흡수 않음 - 산소 - 짧은 파장의 자외선 복사 흡수 (대기 상층) - 오존 - 나머지 좌외선 흡수 (성층권) - 수증기 - 태양복사 흡수 - 가시광선 - 지표면까지 도달 (가시광선을 흡수하는 기체가 없음)

온실효과 대기상부에 도달하는 태양에너지의 50% - 지표면 흡수 흡수된 에너지의 대부분 - 대기 중으로 재방출 (장파복사) 재방출된 장파의 대부분 - 대기(수증기, 이산화탄소)에 흡수 → 가열 (온실효과)

기권의 조성 기권 - 어떤 천체를 둘러싸고 있는 기체층 공기 - 고유의 물리적 특성을 가진 무색, 무취의 다양한 기체들, 입자, 물방울의 혼합체 공기 구성성분의 변화 - 상대적 조성에 따라 공간적, 시간적으로 차이, 에어로졸과 수증기에 의해 주로 차이가 남. 에어로졸 - 공기 중에 부유하는 아주 작은 물방울(안개) 또는 아주 작은 고체 입자(작은 빙정, 화재 매연입자, 화산재, 해염입자, 먼지, 미세 토양입자, 꽃가루, 오염물입자 등), 지표부분에 집중, 호흡기관에 의해 대체로 걸러짐, 응결핵으로 작용, 태양복사를 반사, 흡수. 수증기 - 기권에 항상 존재, 습도는 가변적

기권의 조성 건조공기 - 에어로졸과 수증기를 제외한 나머지 기체들의 집합 건조공기  - 에어로졸과 수증기를 제외한 나머지 기체들의 집합 - 상대적 조성비는 거의 일정 - 질소(78%), 산소(21%), 아르곤(0.93%), 기타 미량 기체들

기권의 조성 온실기체 - 이산화탄소(CO2), 오존(O3), 아산화질소(N2O), 수증기, 태양의 단파복사를 통해 가열된 지표에서 방출되는 적외복사를 흡수하여 기권을 가열하고 기온 유지 오존 - 기권의 높은 곳에서 좌외선 흡수, 고도 10 ~ 50 km 사이에 집중(대기 중에는 거의 없음) 고도 80 km 이하 - 수증기와 에어로졸을 제외하고 기권의 구성은 매우 일정. 고도 80km 이상 - 수소, 헬륨 (태양으로부터 도달) 등의 가벼운 기체로 구성 (No 네온, 아르곤-무거운 기체들), 날씨, 기후변화는 기권의 하부에서 일어남.

기온 연직분포 대류권(troposhere) - 0 ~ 고도 10(극지방)~16(적도) km - 기온 ∝ 1/고도 - 태양복사에 의한 지표 가열로부터 열원 공급 - 지표부근의 따뜻한 공기 - 상승, 상층의 찬공기 - 하강 - 날씨의 변화 성층권(stratoshere)  - 대류권 위 ~ 고도 50 km - 기온 ∝ 고도 - 오존이 태양복사에너지 중 좌외선 흡수 - 기권 오존의 대부분이 성층권에 존재

기권의 구조 연직분포 중간권(mesoshere) - 고도 50 ~85 km - 기온 ∝ 1/고도 - 최저온도 - 영하 100oC (고도 85 km) 열권(thermoshere)  - 고도 85 ~ 약 500 km - 기온 ∝ 고도 - 기체들의 태양복사에너지 흡수, 태양으로부터 방출된 광자, 전자들과의 충돌 - 고온 (max. 1500oC), but 기체밀도가 작아 소량의 열 - 오로라 발생

~500km 열권 50~85km 외권 중간권 16~50km 성층권 10~16km 대류권

기온이 변화하는 이유 = f (태양 복사량-위도-주된 요인, 육지와 해양의 비열차, 고도, 지형적 위치, 해류) 육지와 해양 - 기온 변화 - 육지 > 해양 - 이유 - 물의 큰 비열, 물의 큰 열전달율로 인해 깊은 곳까지 열 전달, 물의 혼합으로 인해 넓은 지역으로 열 전달, 수면에서의 증발(냉각) 고도 지리적 위치 운량과 알베도 - 일교차의 변화

기압 공기의 압력 ∝ 공기의 밀도 기압의 관측 - 토리첼리의 기압계, 아네로이드 기압계 고도 ∝ 1/기압 - 파스칼 해면평균기압 - 1 기압 = 101.3 kPa 공기의 압축성 → 고도와 기압과의 nonlinear relationship → 기권 질량의 1/2이 5.5km 고도아래, 99%가 32km 고도아래에 존재

수분(수증기) 잠열 (latent heat) - 물질의 상태가 변화할 때 방출되거나 흡수되는 에너지 - 에너지 흡수: 고체 → 액체, 액체 → 기체 - 에너지 방출: 기체 → 액체, 액체 → 고체 - 물의 응결/증발 잠열 - 2260 J/g - 물의 동결/융해 잠열 - 330 J/g

수분(수증기) 증발/응결 - 구름, 안개, 비의 생성, 지구의 열 이동 (적도 → 극지방) 상대습도 상대습도  - 포화 - 증발하는 물분자 수 = 응결하는 물분자 수 - 혼합기체의 총 압력 = ∑ 구성기체의 분압 - 수증기량 (수증기압) ≦ 포화 수증기압 - 상대습도 (%) = (수증기압/포화 수증기압) × 100 - 상대습도 = f (증발량, 온도) - 이슬점 온도 - 공기 중의 수증기량이 일정할 때 응결이 시작되는 온도, 높은 이슬점 온도 → 습윤한 공기, 낮은 이슬점 온도 → 건조한 공기

수분(수증기)

수분(수증기)

날씨와 기후 기권의 유동과 변화에 따라 다양한 날씨와 기후의 기본적 형태 구성 날씨 - 특정 장소에서 단기간 동안의 대기 상태 기후 - 날씨의 집합, 종합적인 개념, 오랜 기간동안의 날씨 상태를 일반화하여 표현한 것, 평균, 편차, 극값들을 포함한 다양한 통계값을 사용하여 표현 날씨와 기후 특성의 기본요소 - 기온, 기압, 습도, 강수의 형태와 양, 구름, 풍향과 풍속

응결과 구름의 형성 단열과정 (adiabatic processes) - 주위와의 열 교류없이 이루어지는 열역학적 과정 - 공기압축 → 온도상승; 공기팽창 → 온도하강 - 지표부근의 가열된 공기 → 밀도 감소 → 상승 → 단열 팽창 → 온도하강 → 밀도 증가 → 하강 → 단열 압축 → 온도증가

응결과 구름의 형성 건조단열감율 (dry adiabatic lapse rate) - 포화되지 않은 공기가 상승하여 단열 팽창할 때 온도가 떨어지는 율 - 1oC/100m 습윤단열감율 (moist adiabatic lapse rate) - 포화된 공기가 상승하여 단열팽창할 때 온도가 떨어지는 율 - 0.4 ~ 0.9oC/100m, 평균 0.6oC/100m, 수증기가 응결하며 방출하는 잠열이 공기의 팽창에 따른 냉각율을 줄이기 때문 건조단열감율 > 습윤단열감율 (응결고도 위), 건조단열감율 = 습윤단열감율 (응결고도 아래)

응결과 구름의 형성 응결 - 수증기 포화시 물방울, 얼음 결정 형성 - 물방울 형성 - 핵화 (nucleation) - 에너지 소요 (적은 에너지  표면이 존재할 경우, 많은 에너지  무 표면) - 물방울 성장 - 초기에 급속히 성장 - 물방울의 독립 존재 (구름 물방울) < 1000개의 물방울/1cm3  - 물방울의 병합 - 서로간 충돌에 의해 → 빗방울 형성 (약 100만개의 구름 물방울/1개의 빗방울) - 얼음 결정 형성 - 베르게론 과정 - 빙정이 과냉각된 물방울을 소모하며 성장, 0~-9oC의 구름의 물방울 → 과냉각된 물방울; -10~-20oC의 구름 → 과냉각된 물방울 + 빙정; <-20oC의 구름 → 빙정, 과냉각된 물방울이 천천히 증발하여 증발된 수증기가 빙저에 붙게 되어 빙정이 성장하여 낙하  기온이 영하이면 눈, 영상이면 비

구름 공기가 상승하여 단열(팽창)냉각에 의해 포화에 이를 때 형성 공기상승원인 - 지형상승 - 기류가 산과 같은 지형의 경사를 따라 상승하며 발생 - 전선상승 - 밀도가 다른 두 개의 기단이 만날 때 (전선), 따뜻하고 습한 공기가 차가운 공기 위로 올라갈 때 (온난전선) → 구름, 비 형성, 밀도가 높고 찬 공기가 따뜻한 공기를 밀어 올리며 전진할 때 (한랭전선) → 구름, 비 형성, 폐색전선 - 한랭전선이 온난전선을 따라 잡아 두 차가운 기단이 만날 때 생성 - 수렴상승 - 기류가 수렴하며 공기가 상승 - 대류상승 - 따뜻하고 밀도가 낮은 공기의 부력에 의한 상승

구름

대기안정도 환경감율(대기온도감율-측정값) < 습윤단열감율 → 대기 안정, 연직운동이 없음, 두께가 얇은 넓게 퍼진 구름, 약한 강우 환경감율 > 건조단열감율 → 대기 불안정, 대기의 상승, 구름(악천후를 동반하는 수직운) 형성, 폭풍, 토네이도

구름의 종류 형태에 따라 - 적운, 층운, 권운 1. 적운 - 개체적 성격이 강한 구름으로 공기가 대류상승하여 응결고도를 지나 더 상승할 때, 공모양을 띤 몇 개의 구름으로 구성, 연직으로 부풀어 올라 둥근 언덕이나 탑과 같은 형태 2. 층운 - 고도 2~15 km에서 발생, 공기가 전선상승하여 응결고도에 이를 때 형성, 하늘 전체를 뒤덮는 판이나 층 같은 형태, 개개의 구름으로 분리가 안됨. 3. 권운 - 대류권 가장 높은 곳에서 존재, 희고, 엷은 섬유, 솜털모양의 구름, 작은 조각으로 이루어지거나 베일같은 얇은 천 모양, 고도 6 km 이상, 모두 빙정으로 구성

구름의 종류 높이에 따라 1. 상층운 - 권운, 권층운, 권적운 2. 중층운 - 고층운 3. 하층운 - 층운, 층적운, 나층운 4. 수직운 - 하층운의 고도에서 상층운의 고도까지 수직으로 발달한 구름, 불안정한 공기에서 생성, 적운, 적란운

구름의 종류

구름의 종류