‘공기’, 넌 지구별에서 어떤 의미와 역할을 하니?

올여름 역시 많은 태풍이 한반도를 지나쳤는데요. 지구는 공기로 둘러싸여 있기 때문에 비, 바람 같은 기상 변화가 일어난다는 사실 알고 계신가요? 이 공기 때문에 사람을 비롯한 동· 식물이 지구에서 생명을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 새와 비행기가 하늘을 날 수 이유 역시 공기 때문인데요. 그렇다면 지상에서 어느 높이까지 공기가 있는 걸까요? 

그리스 신화에는 지구에서 태양까지 공기가 있다고 생각했습니다. 고대 그리스 신화에 보면 이카루스라는 신은 왕에게 미움을 사서 그의 아버지와 함께 섬에 있는 성에 갇힙니다. 이카루스는 왕의 군사들이 바다를 온통 지키고 있었기 때문에 탈출할 수 없었습니다. 그래서, 이카루스는 아버지와 함께 성안에 날아다니는 새의 깃털을 모아 촛농을 이용하여 깃털들을 꼼꼼히 붙여서 큰 날개를 만들었습니다. 날개가 완성되자 이카루스는 아버지와 함께 날아서 감옥을 탈출합니다. 아버지는 이카루스에게 너무 높이 날지 말라고 주의를 시켰지만 이카루스는 의기양양해하며 태양 가까이 높이 올라갔습니다. 결국, 날개를 만들 때 사용한 촛농이 뜨거운 태양에 녹아서 이카루스는 추락하여 바다로 떨어져 죽었습니다.

이처럼 과학기술의 발달하기 전에는 태양까지 공기가 있고 높이 오르면 오를수록 태양 때문에 뜨거워진다고 생각했습니다. 하지만 세계에서 가장 높다는 8,884m인 에베레스트 산에 올라가는 등산가들이 산소마스크를 착용합니다. 높은 곳으로 올라갈수록 공기가 희박해져 숨을 쉬기조차 어렵고 온도도 낮아져 추워진다는 것을 알게 되었습니다.

그래서, 과학자들은 공기가 어디까지 있는지 그리고 높이 올라갈수록 온도가 어떻게 달라지는지 궁금해했습니다. 공기가 얼마나 밀집되어 있는지는 공기의 기압을 측정해 보면 알 수 있습니다. 그래서 1890년대에 들어서 많은 기상학자가 풍선을 이용해 하늘로 올라갈수록 온도와 기압이 어떻게 변하는지 측정을 했습니다. 측정결과 하늘로 올라갈수록 온도가 계속 낮아지는 것이 아니라 어느 정도 높아지면 일정해진다는 것도 알게 되었습니다. 이후, 과학 기술과 로켓이 발달하면서 더 높은 곳까지 온도와 압력을 측정하여 4개의 층으로 된 대기층을 발견했습니다.

대기층을 순서대로 보면 지면에서 12km 정도까지 이르는 대류권이 있고, 12 - 45km 정도까지는 성층권, 45 - 80 km 정도까지는 중간권, 그리고 80 km 이상인 곳을 열권이라고 합니다. 공기의 압력이나 공기의 밀도는 올라갈수록 빠르게 낮아집니다. 이 중에서 대류권은 우리가 숨을 쉬고 생명체가 사는 곳으로 전체 공기의 85% 이상이 몰려 있는 곳입니다. 지구 상에 일어나는 모든 기상의 변화도 주로 이곳에서 일어나고 100m 올라갈수록 0.6도씩 온도가 낮아집니다. 이렇게 온도가 낮아지다가 온도가 일정하게 되는 층이 있는데 이를 권계면이라 하고 그 위를 성층권이라 합니다. 

성층권 위에 있는 열권인 80km 이상의 높은 곳에는 거의 진공에 가까울 정도로 공기가 희박하고 태양에서 온 입자 등이 존재하고 있습니다. 따라서 열권에서 인공위성이 지구 주위를 공전하게 되면 공기가 희박하여 태양의 위치에 따라 극심한 온도 변화를 겪게 되고 중성입자와 이온화된 입자 등과의 마찰 때문에 서서히 고도가 감소하게 됩니다. 예를 들어, 685km 상공에 있는 아리랑위성은 하루에 지구 주위를 14바퀴 반을 공전하면서 태양을 바라보거나 지구의 그림자에 숨는 위치에 따라 수십 차례 극심한 온도변화를 겪게 되고 약 2 미터씩 고도가 떨어집니다.

이러한 열권에서 인공위성이 정상적으로 작동하기 위해서는 인공위성의 온도변화를 최소화할 수 있도록 다층박막단열재 등 인공위성을 보호할 수 있는 특별한 재질의 옷을 입히고 거울을 붙이는 등 일정한 온도를 유지해야 할 뿐만 아니라 고도도 조정해야 합니다. 하루에 조금씩 떨어지는 고도이지만, 이 값이 누적되어 위성의 임무 활동에 지장을 줄 수 있으므로 인공위성의 연료를 사용하여 원래 높이로 다시 높여주어야 한답니다.

글 : 이용복 교수(서울교육대학교 과학교육과)

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