항공우주의 영역과 대기권

 

이 글에서는 우주 공간 및 대기권의 구분과, 항공기의 성능 평가에 중요한 표준대기에 대해 정리한다.

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우주 공간의 구분

지구를 둘러싼 공간은 크게 두 영역으로 나눌 수 있다.

• 대기권 (Atmosphere): 지구 표면에 가까운 곳으로 공기가 가득한 영역. 약 2,000km 상공까지 존재한다고 추정. 날씨, 생물의 호흡, 광합성 등 다양한 생명 활동이 이루어짐.
• 외공간 (Outer space): 대기권을 벗어난 무한한 우주의 영역. (Outer space ≠ Exosphere)
• 대기권 + 외공간 = 공간 (Space)

 

또한, 우주 공간은 아래와 같이, 지구와 달, 행성들 사이의 관계에 따라 세분화할 수 있다.

• 지구 인접 공간: 지구 바로 주변의 우주 영역
• 달까지의 공간: 달에 이르는 범위
• 행성 사이의 공간 (Interplanetary space): 행성들 사이의 영역
• 태양계 사이의 공간 (Intersolar space): 태양계 외부의 영역
• 태양-은하계 사이의 공간: 더 넓은 우주 영역

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대기권의 구분

 

대류권 (Troposphere) : 지면부터 약 11km (극지방은 약 10km, 적도부근은 약 18km)

• 지구에서 가장 낮은 대기층.
• 대부분의 수증기와 대기 질량이 집중되어 있어 끊임없는 대류 현상과 강우, 강설, 우박 등 다양한 기상 변화가 일어나며 구름이 형성.
• 때문에 이 영역을 ‘천후권(天候圈)’이라고도 부름.
• 지면과 상호 작용하면서 형성되는 온도 구배로 인해, 고도가 상승할수록 기온이 감소. 
• 대류권계면(Tropopause): 대류권과 성층권의 경계로, 이 부근에는 시속 약 100㎞의 제트기류(서풍)가 형성되어 항공기 항행에 활용.

성층권 (Stratosphere) : 대류권계면 위, 약 11km 이상 50km 미만

• 대류권 바로 위에 위치하는 권역
• 대류활동이 현저히 줄어들어 난기류가 적음
• 상업용 항공기가 주로 운항하는 영역.
• 성층권은 그 위치에 따라 하부 성층권과 상부 성층권으로 구분.

하부 성층권	상부 성층권
고도 10~30km의 등온층(기온과 고도에 상관없이 일정하게 유지되는 영역)으로, 여름에는 약 -52℃, 겨울에는 약 -58℃의 온도를 유지. 열의 대류가 거의 발생하지 않음.	오존의 농도가 매우 높아 ‘오존권(Ozone Layer)’으로 불리며, 고도 증가에 따라 온도가 점차 상승.

 

중간권 (Mesosphere) : 약 50km부터 80km까지

• 고도가 증가할수록 온도가 낮아지는 특징.
• 유성이 대기에 진입하면 대기 중 가스 분자와 마찰하고, 중간권부터 타오르기 시작. 
• 중간권과 성층권의 경계를 성층권계면(Stratopause)이라 하며, 이 경계의 온도는 +77℃.
• 중간권과 열권의 경계는  중간권계면(Mesopause)이라 한다.

열권 (Thermosphere) : 약 80km부터 300km까지

• 태양의 복사를 직접 받음
• 고도가 증가함에 따라 온도가 상승.
• 100km 이하에서는 -30℃에서 +30℃, 그 이후에는 최대 2000℃까지 올라감.
• 국제우주정거장(International Space Shuttle, ISS)와 저궤도 인공위성이 이 층을 항행.
• 전리층:
  • 이 영역에서는 기체가 이온화되어 D, E, F, G층으로 구분되는 전리층을 형성.
  • 전리층은 단파 전파를 반사하는 역할을 함. 때문에 대기권을 관통하는 전파는 초단파나 극초단파를 사용해야 함.

극외권 (Exosphere) : 약 300km 이상

• 공기가 극도로 희박하여, 분자 간 충돌이 거의 없음.
• 공기 입자들이 지구 중력보다 외부의 진공 상태에 더 영향을 받아, 지구를 탈출하거나 외부에서 유입될 수 있음.