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산꼭대기로 올라갈수록 기온이 낮아지는 이유 김포공항이 15 ℃일 때 암사동은 몇 도 ?
입력 : 2020.10.15

 김포 공항에서 동쪽으로 15 km 떨어진 지점에는 서울 시청이 있고, 30 km 지점에는 암사동 선사 주거지가 있다.

그림26-서울시-온도.jpg

 김포 공항의 기온이 15 ℃일 때 시청과 암사동의 기온은 몇 도일까? 산이 아닌 평지에 위치한 세 곳은 15 ℃ 내외에서 크게 벗어나지는 않을 것이다.

 그렇다면 서울에서 가장 기온이 낮은 곳은 어디일까? 아마도 북한산 최고봉인 백운대일 것이다. 일반적으로 해발 고도가 100 m 높아질 때마다 기온이 약 0.65 ℃씩 낮아지기 때문이다. 백운대의 해발 고도는 836 m이므로 서울시 평지보다 800 m 높다고 가정하면, 백운대 정상의 기온은 약 5℃ 정도 낮아져서 10 ℃가 된다.

 

그림27-1-산꼭대기의-온도.jpg

 왜 높이 올라갈수록 기온이 낮아지는 것일까? 그 이유는 크게 두 가지로 볼 수 있다.

 첫째 요인은 지표에서 방출하는 적외선 열로부터 멀어지기 때문이다. 이는 달궈진 프라이팬에서 손을 멀리할수록 전해지는 열기가 적어지는 원리와 같다. 지표는 태양 복사 에너지를 흡수하여 따뜻하게 달궈진 상태에서 적외선을 방출하고 있다. 그러므로 지표에서 먼 상공은 적외선이 그만큼 적게 도달하게 되니 그만큼 기온이 낮아진다.

 “산꼭대기도 평지와 똑같이 햇빛을 받아 가열된 후 적외선을 방출하는 것은 마찬가지가 아닌가?” 하는 의문이 들 수 있다. 논리적으로 맞는 말이다. 그렇지만 상공은 평지보다 바람이 강하기 때문에 산 정상부가 가열된 경우에도 온도를 유지하기 어렵다. 강한 바람에 의해서 열이 쉽게 흩어지므로 평지의 상공 온도와 엇비슷해지기 때문이다.

 산꼭대기의 온도를 낮추는 두 번째 요인은 공기의 팽창 때문이다.

 승용차를 타고 대관령이나 한계령과 같은 고갯길을 빠르게 올라갈 때 귀가 먹먹해진다. 이는 해발 고도가 8 m씩 높아질 때마다 대기압이 1 hPa(헥토파스칼)씩 떨어지기 때문에 생기는 현상이다. 1 hPa은 물기둥을 1 cm 높이만큼 빨아올릴 수 있는 힘이다.

 

 공기 덩어리가 산 사면을 타고 빠르게 상승하면 기압이 낮아지므로 공기 덩어리는 팽창하게 된다. 이 경우 공기 덩어리 내부의 온도는 100 m 올라갈 때마다 1 ℃의 비율로 떨어진다. 공기가 팽창하면 온도가 떨어지는 현상은 가정에서도 경험할 수 있다. 모기약 스프레이를 분사한 후 노즐 입구를 만져보면 차가워졌음을 느낄 수 있다. 스프레이 통에 압축되어 있던 공기가 외부로 나오면서 빠르게 팽창하기 때문이다. 풍선에 공기를 빵빵하게 불어넣은 후 풍선 입구를 열어 손을 대보면 차갑게 느껴지는 것도 공기 팽창에 의한 것이다. 이처럼 외부와의 열 교환 없이 부피 팽창에 의해서 일어나는 온도 하강을 ‘단열 냉각’이라고 한다.

  단열 냉각은 상승하는 공기 덩어리의 온도를 낮추는 원인이며, 구름을 만드는 데 기여하는 물리 현상이기도 하다. 수증기가 충분한 공기는 산을 타고 오르면서 단열 냉각에 의해 구름을 피워올릴 수 있다. 때문에 평지 상공에 구름이 없는 경우에도 산자락에는 구름이 곧잘 형성된다.

 
대기권 상부는 2천 도라고?
 

 태양의 표면 온도는 6천 도에 육박하고, 태양의 중심 쪽은 1천 5백만 도로 추산된다. 태양보다 훨씬 큰 별들의 내부의 온도는 30억 도 이상도 가능하다. 이처럼 어떤 계의 온도는 조건만 되면 얼마든지 상승할 수 있으므로 물리적인 상한선은 없다고 할 수 있다.

 그러나 물리적 온도의 하한선은 엄연히 있다. 열에너지가 전혀 없는 어떤 계의 안정된 상태를 절대 영도 0 K(캘빈)로 정의하기 때문이다. 절대 영도(0 K)를 섭씨 온도로 환산하면 -273.15 ℃에 해당한다.

 오늘날 우주의 온도는 약 3 K로 측정되었다. 즉 우주는 영하 -270 ℃ 정도로 엄청나게 춥다. 그래서 종종 SF 영화에서는 우주복 마스크가 깨진 후 삽시간에 냉동 상태로 변하면서 죽어가는 우주인의 모습이 나오기도 한다. 그러나 이는 영화적인 연출일 뿐이다. 진공 상태에서는 전도나 대류에 의한 열의 이동이 일어나지 않으므로 우주복 마스크가 깨진다고 해서 체온이 급격히 내려가지는 않기 때문이다.(진공의 음압 때문에 허파꽈리가 터져 피를 토하고 안구가 돌출할 가능성은 있다. 과학자들이 수행한 실험에서는 대다수 동물이 진공에 노출된 직후 기절했다고 한다.)

 지구의 지표 온도는 15 ℃이고, 우주의 온도는 -270 ℃이므로 하늘을 향해 곧장 올라가면 온도가 뚝뚝 떨어지게 될까? 그렇지는 않다. 대기권이 지구를 둘러싸고 있기 때문이다.

 대기권의 상부는 태양에서 날아온 감마선, 엑스선 등 생물체에 치명적인 광선을 흡수 차단하는 역할을 하면서 온도가 상승한다. 태양 광선이 내리쬐는 한낮에는 대기권 상부의 온도가 2000 ℃ 정도로 치솟기도 한다. 이는 대기 상층의 공기 밀도가 매우 낮기 때문에 가능한 일이다.

 우리는 경험적으로 ‘온도가 높은 것=뜨거운 것’이라는 관념을 가지고 있다. 그러나 이 관념은 참이 아니다. 목욕탕 물 온도가 42 ℃인 경우와, 건식 사우나 방 공기 온도가 90 ℃인 경우에 어느 쪽이 더 뜨거울까? 사우나 방 온도가 90 ℃인 경우에 썰렁하다고 불평하는 사람들이 있는 것은 공기가 품을 수 있는 열용량이 물보다 훨씬 적기 때문에 생기는 일이다.

 

 대기권 공기의 99.99997 %는 상공 100 km 이하에 집중되어 있다. 따라서 상공 500 km 높이에서 대기 온도가 2천 도가 되더라도 뜨겁다고 말할 수는 없다. 2천 도는 과학자들이 공기 원자들의 운동 속도를 측정하여 구한 값이다. 공기가 희박한 경우에는 공기 입자가 에너지를 얻었을 때 훨씬 빠른 속도로 움직이기 때문에 그와 같은 온도가 산출되는 것으로 이해할 수 있다.

 대기권의 대략적인 온도 분포는 아래 그림과 같다.

 대기권-온도.jpg

 

 대류권, 성층권, 중간권, 열권이라는 대기권의 명칭은 기온 변화율에 따른 구분이다. 그래프를 보면 대기권이 얼마나 얇은지를 알 수 있다. 10 km는 걸어가도 두 시간이면 갈 수 있는 거리인데, 이 높이에서 영하 65 ℃로 엄청 춥다. 

 그러나 대류권을 넘어 성층권까지 올라가면 온도가 다시 상승하여 영하 3 ℃ 정도가 된다. 성층권의 온도 상승은 자외선이 산소와 오존 분자에 충돌하면서 99% 흡수되기 때문에 생기는 일이다.

 산소 분자(O₂)는 짧은 파장의 자외선(UV-C) 에너지를 흡수하여 산소 원자(O)로 깨진 후 다른 산소 분자(O₂)와 결합하여 오존(O₃)을 형성한다. 생성된 오존(O₃)은 곧바로 약간 긴 파장의 자외선(UV-B)에 의해 분해되어 산소 분자와 원자로 되돌아가고, 다시 오존으로 결합되는 과정을 반복한다.

 

그림28-오존의-생성과-파괴.jpg

 이러한 과정을 통해 오존의 농도는 유지되며, 생명체에게 치명적인 자외선은 대부분 차단된다.

  대기의 산소는 지구의 식물이 번성하면서 만들어낸 귀중한 선물이다. 지사학 연구에 따르면, 지구 탄생 당시에는 대기 중에 산소가 없었고, 식물성 플랑크톤의 광합성에 의해 산소가 만들어지기 시작하여 대기 중에 산소가 쌓이는 데에는 수십 억 년의 시간이 걸렸다. 육지에 식물이 살기 시작한 최초의 시기는 약 4억 년 전인 것으로 추정되는데, 이는 대기 중 산소가 늘어나고 성층권에 오존층이 형성됨으로써 가능했던 일이다.

신규진 《최고들의 이상한 과학책》 《너무 재밌어서 잠 못 드는 지구의 과학》 《지구를 소개합니다》 저자
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1건의 글이 있습니다. 작성일순 | 찬성순 | 반대순
  지나가다   ( 2020-11-24 )    수정   삭제 찬성 : 0 반대 : 0
플랑크톤의 광합성에 의해 비로소 없던 산소가 생성되었다는 것은 비과학적이라 봅니다.
 오존층은 지구가 생성될 때부터 존재했고,
 산소 역시 지구가 생성될 때부터 존재했다고 봐야 합니다.
 산소가 동물을 만들어 낼 수 없듯이,
 식물의 자원인 산소는 식물보다 먼저 있었고, 플람크톤보다 먼저 있었다고 봅니다.
 즉 광물이 모든 생물보다 먼저 존재했다고 봐야 합니다.
 플앙크톤보다 먼저 산소나 광물계가 존재했고, 그 후 식물과 동물이 생성된 것이죠.
 닭이 먼저냐 계란이 먼저냐 닭이 먼저라고 봐야 합니다.
 계란 자체는 수정란이 아니면 닭이 될 수 없기 때문이지요.
 수정란은 수탉이 존재해야 합니다.
 대기를 과학적으로 설명하면서
 소설같은 산소 기원론은 비과학적 일탈.

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