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1. 기권과 날씨
1.1. 기권의 구조와 특징
기권은 지구를 둘러싸고 있는 공기의 층이며, 대략 1,000km의 높이로 정의된다. 기권 전체 공기의 약 99%는 높이 32km 이내에 분포한다. 지표면으로부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분된다.
대류권은 지표에서부터 약 11km까지의 층으로, 위로 올라갈수록 기온이 하강하며 대류현상이 활발하다. 적도의 대류권은 공기의 열적 팽창으로 인해 두꺼운 반면, 극의 대류권은 공기의 열적 수축으로 인해 얇다.
성층권은 대류권계면에서부터 약 50km까지의 층으로, 오존층이 존재한다. 오존층은 자외선을 흡수하여 고도에 따른 기온 상승을 유발하고, 생명체에게 해로운 자외선을 차단하여 지표 생태계를 보존하는 역할을 한다. 고도에 따른 기온 상승은 기층 안정도를 높여 비행기의 운항항로로 이용된다.
중간권은 성층권계면에서부터 약 80km까지의 층으로, 고도에 따른 온도 하강으로 인해 기층이 불안정하여 대류현상은 발생하지만 기상현상은 나타나지 않는다. 태양 복사에 의해 대기 입자가 이온화되어 전리층이 존재하며, 유성이 나타나기도 한다.
열권은 중간권계면의 윗층으로, 공기가 매우 희박하여 밤낮의 기온차가 매우 심하다. 오로라가 발생한다.
1.2. 복사평형
태양이 지구로 방출하는 복사에너지량과 지구가 우주로 방출하는 복사에너지량이 균형을 이루는 것을 복사평형이라고 한다. 지구는 태양에서 끊임없이 복사에너지를 받고 있지만, 지구가 우주로 방출하는 복사에너지량과 균형을 이루고 있기 때문에 지구의 평균 기온이 장기적으로 일정하게 유지된다.
태양이 방출하는 복사에너지는 주로 가시광선 영역의 복사에너지이며, 지구 표면이 이 에너지를 흡수하여 열에너지로 전환한다. 지구 표면은 이 열에너지를 다시 적외선 영역의 복사에너지로 방출하게 되는데, 이때 대기 중의 온실기체가 이 복사에너지를 일부 흡수하여 지표면으로 재복사함으로써 지구의 평균 기온이 대기가 없을 때보다 높게 유지되는 온실효과가 발생한다.
이와 같이 지구는 태양에서 받은 복사에너지와 지구가 우주로 방출하는 복사에너지 사이의 균형을 유지하여 장기적으로 일정한 기온을 유지하고 있다. 따라서 복사평형은 지구 기후 시스템의 근간을 이루는 중요한 개념이라고 할 수 있다.
1.3. 온실효과
온실효과는 지구 대기에 의해 지구 평균 기온이 대기가 없을 때보다 높게 유지되는 현상이다. 지구로 들어오는 태양 복사 에너지량이 100%라고 가정하면 30%는 지표와 대기에 의해 반사되고 70%는 지표와 대기에 의해 흡수된 후 언젠가는 방출된다.
온실기체는 파장이 짧은 태양 복사 에너지를 잘 흡수하지 못하지만, 파장이 긴 지구 복사에너지를 잘 흡수한다. 대표적인 온실기체로는 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메테인(CH4), 아산화질소(N2O) 등이 있다. 대기 중 이런 온실기체들의 농도가 증가하면 지구 평균 기온이 지속적으로 상승하는 지구 온난화 현상이 발생한다. 지구 온난화로 인해 이상 기후, 해수면 상승, 해빙 등 다양한 문제가 유발될 수 있다.
1.4. 절대습도와 상대습도
공기 중에 포함된 수증기의 양을 나타내는 지표로 절대습도와 상대습도가 있다.
절대습도는 1kg의 공기 중에 포함된 수증기의 질량(g)으로 정의된다. 기온이 높을수록 공기가 더 많은 수증기를 포함할 수 있으므로, 기온이 높아질수록 절대습도는 증가한다.
상대습도는 공기 중에 포함된 수증기량이 그 공기가 포함할 수 있는 최대 수증기량에 대한 백분율로 표시된다. 상대습도는 기온이 증가하면 감소하고, 기온이 감소하면 증가한다. 이는 기온이 상승하면 포화수증기량이 증가하지만 공기 중 수증기량의 증가 폭은 상대적으로 작기 때문이다.
공기 중 수증기량이 일정할 때, 기온이 상승하면 포화수증기량이 증가하므로 상대습도가 감소한다. 반대로 공기 중 수증기량이 일정할 때, 기온이 하강하면 포화수증기량이 감소하므로 상대습도가 증가한다.
또한 공기 중 수증기량이 증가하면 상대습도가 증가하고, 수증기량이 감소하면 상대습도가 감소한다. 즉, 공기 중 수증기량이 일정하더라도 기온 변화에 따라 상대습도가 변화한다.
상대습도는 기온 변화에 민감하게 반응하는 특성이 있어, 이슬점 판단의 중요한 지표로 활용된다. 특히 상대습도가 100%에 도달하면 이슬점에 도달했음을 의미하며, 공기 중 수증기가 응결하여 구름이 생성된다.
이처럼 절대습도와 상대습도는 대기 중 수증기 함량을 나타내는 중요한 지표이며, 이를 통해 기상 현상을 파악하고 예측할 수 있다.
1.5. 단열 팽창
단열 과정은 외부와 열 교환 없...
