성층권 : 특성, 기능, 온도 - 환경 - 2026

성층권은 대류권과 중간권 사이에있는 지구 대기의 층 중 하나입니다. 성층권의 하한 고도는 다양하지만 행성의 중위도에 대해 10km로 촬영할 수 있습니다. 그것의 상한선은 지구 표면 위 50km의 고도입니다.

지구의 대기는 행성을 둘러싸고있는 기체 외피입니다. 화학 성분과 온도의 변화에 ​​따라 대류권, 성층권, 중권, 열권 및 외권의 5 층으로 나뉩니다.

그림 1. 우주에서 본 성층권. 출처 : NOSA Galician Space Agency

대류권은 지구 표면에서 최대 10km까지 확장됩니다. 다음 층인 성층권은 지표면에서 10km에서 50km까지 다양합니다.

중간권의 높이는 50km에서 80km입니다. 열권은 80km에서 500km까지, 마지막으로 외권은 500km에서 10,000km까지 확장되어 행성 간 공간의 한계입니다.

성층권 특성

위치

성층권은 대류권과 중간권 사이에 있습니다. 이 층의 하한은 위도 또는 지구의 적도 선으로부터의 거리에 따라 다릅니다.

행성의 극에서 성층권은 지구 표면에서 6 ~ 10km 높이에서 시작됩니다. 적도에서는 16 ~ 20km의 고도에서 시작됩니다. 상한선은 지구 표면 위 50km입니다.

구조

성층권은 온도에 의해 정의되는 자체 층 구조를 가지고 있습니다. 차가운 층은 바닥에 있고 뜨거운 층은 맨 위에 있습니다.

또한 성층권에는 오존층 또는 오존 권이라고하는 오존 농도가 높은 층이 있으며, 이는 지구 표면에서 30 ~ 60km 사이에 있습니다.

화학적 구성 요소

성층권에서 가장 중요한 화합물은 오존입니다. 지구 대기에 존재하는 총 오존의 85 ~ 90 %는 성층권에서 발견됩니다.

오존은 산소가 겪는 광화학 반응 (빛이 개입하는 화학 반응)을 통해 성층권에서 형성됩니다. 성층권의 많은 가스가 대류권에서 들어옵니다.

성층권에는 오존 (O ₃ ), 질소 (N ₂ ), 산소 (O ₂ ), 질소 산화물, 질산 (HNO ₃ ), 황산 (H ₂ SO ₄ ), 규산염 및 할로겐화 화합물 (예 : 클로로 플루오로 카본)이 포함되어 있습니다. 이러한 물질 중 일부는 화산 폭발에서 발생합니다. 성층권의 수증기 ( 기체 상태의 H ₂ O) 농도 는 매우 낮습니다.

성층권에서 수직 가스 혼합은 난류가 없기 때문에 매우 느리고 사실상 거의 없습니다. 이러한 이유로이 층에 들어가는 화학 물질 및 기타 물질은 오랫동안 그 안에 남아 있습니다.

온도

성층권의 온도는 대류권의 온도와 역 행동을 보입니다. 이 층에서 온도는 고도에 따라 증가합니다.

온도의 증가로 인해 화학 반응의 발생하다 이형 열, 여기서 오존 (O ₃ ) 이 개재 . 성층권에는 태양의 고 에너지 자외선을 흡수하는 상당한 양의 오존이 있습니다.

성층권은 가스가 혼합되는 난류가없는 안정된 층입니다. 공기는 아래 부분은 차갑고 밀도가 높고 위쪽 부분은 따뜻하고 가볍습니다.

오존 형성

성층권에서 분자 산소 (O ₂ )는 태양의 자외선 (UV) 복사 효과에 의해 분리됩니다.

O ₂ + 자외선 → O + O

산소 (O) 원자는 반응성이 높고 산소 (O ₂ ) 분자와 반응하여 오존 (O ₃ ) 을 형성합니다 .

O + O _{2 →} O ₃ + 열

이 과정에서 열이 방출됩니다 (발열 반응). 이 화학 반응은 성층권의 열원이며 상층에서 고온을 유발합니다.

풍모

성층권은 지구상에 존재하는 모든 형태의 생명체의 보호 기능을 수행합니다. 오존층은 고 에너지 자외선 (UV)이 지구 표면에 도달하는 것을 방지합니다.

오존은 자외선을 흡수 하고 다음과 같은 화학 반응에서 볼 수 있듯이 원자 산소 (O)와 분자 산소 (O ₂ )로 분해됩니다.

O ₃ + 자외선 → O + O ₂

성층권에서 오존의 형성 및 파괴 과정은 일정한 농도를 유지하는 평형 상태에 있습니다.

이러한 방식으로 오존층은 일반적으로 유전 적 돌연변이, 피부암, 작물 및 식물 파괴의 원인 인 자외선으로부터 보호막 역할을합니다.

오존층 파괴

CFC 화합물

1970 년대 이후 연구자들은 오존층에 대한 CFC (chlorofluorocarbons)의 손상 효과에 대해 큰 우려를 표명했습니다.

1930 년에 상업적으로 프레온이라고 불리는 클로로 플루오로 카본 화합물의 사용이 도입되었습니다. 이들 중에는 CFCl ₃ (Freon 11), CF ₂ Cl ₂ (Freon 12), C ₂ F ₃ Cl ₃ (Freon 113) 및 C ₂ F ₄ Cl ₂ (Freon 114)가 있습니다. 이 화합물은 쉽게 압축 할 수 있고 상대적으로 반응이없고 불연성입니다.

그들은 암모니아 (NH ₃ )와 액체 이산화황 (SO ₂ ) (고독성)을 대체하면서 에어컨과 냉장고의 냉매로 사용되기 시작했습니다 .

그 후, CFC는 일회용 플라스틱 제품의 제조, 캔에 들어있는 에어로졸 형태의 상업용 제품 용 추진제, 전자 장치 카드 용 세척 용제로 대량으로 사용되었습니다.

다량의 CFC에 대한 광범위한 사용은 산업 및 냉매 사용에 사용되는 것이 대기로 배출되기 때문에 심각한 환경 문제를 야기했습니다.

대기에서 이러한 화합물은 성층권으로 천천히 확산됩니다. 이 층에서 그들은 자외선의 영향으로 인해 분해됩니다.

CFCl _{3 →} CFCl ₂ + Cl

CF ₂ Cl _{2 →} CF ₂ Cl + Cl

염소 원자는 오존과 매우 쉽게 반응하여 파괴합니다.

Cl + O ₃ → ClO + O ₂

단일 염소 원자는 100,000 개 이상의 오존 분자를 파괴 할 수 있습니다.

질소 산화물

질소 산화물 NO와 NO _2는 반응하여 오존을 파괴합니다. 성층권에있는 이러한 질소 산화물의 존재는 초음속 항공기 엔진에서 방출되는 가스, 지구에서의 인간 활동으로 인한 배출 및 화산 활동 때문입니다.

오존층의 얇아 짐과 구멍

1980 년대에 남극 지역 위의 오존층에 구멍이 형성된 것이 발견되었습니다. 이 지역에서 오존의 양은 반으로 줄었습니다.

또한 북극 위와 성층권 전체에서 보호 오존층이 얇아졌습니다. 즉, 오존의 양이 상당히 감소했기 때문에 그 폭이 감소했습니다.

성층권의 오존 손실은 지구상의 생명체에 심각한 영향을 미치고 있으며 여러 국가에서는 CFC 사용을 대폭 줄이거 나 완전히 제거하는 것이 필요하고 시급하다는 사실을 인정했습니다.

CFC 사용 제한에 관한 국제 협약

1978 년에 많은 국가에서 상업용 에어로졸 제품의 추진 제로 CFC 사용을 금지했습니다. 1987 년에 대다수의 선진국은 소위 몬트리올 의정서 (Montreal Protocol)에 서명했습니다.이 협약은 2000 년까지 CFC 제조의 점진적 감소와 전체 제거에 대한 목표를 설정했습니다.

몇몇 국가는 몬트리올 의정서를 준수하지 못했습니다. 왜냐하면 이러한 CFC의 감소와 제거는 그들의 경제에 영향을 미치고 지구상의 생명 보존보다 경제적 이익을 우선시하기 때문입니다.

왜 비행기는 성층권에서 비행하지 않습니까?

비행기가 비행하는 동안 4 가지 기본 힘이 작용합니다 : 들어 올리기, 비행기 무게, 끌기, 추력.

리프트는 비행기를지지하고 위로 밀어 올리는 힘입니다. 공기 밀도가 높을수록 양력이 커집니다. 반면 무게는 지구의 중력이 비행기를 지구의 중심으로 당기는 힘입니다.

저항은 기체가 전진하는 것을 늦추거나 방해하는 힘입니다. 이 저항력은 비행기의 경로와 반대 방향으로 작용합니다.

추력은 비행기를 앞으로 움직이는 힘입니다. 보시다시피, 추진력과 상승은 비행에 유리합니다. 무게와 저항은 비행기의 비행에 불리하게 작용합니다.

항공기

단거리의 상업용 및 민간 항공기는 해발 약 10,000m, 즉 대류권의 상한선에서 비행합니다.

모든 항공기는 압축 공기를 기내로 펌핑하는 기내 가압이 필요합니다.

캐빈 가압이 필요한 이유는 무엇입니까?

항공기가 더 높은 고도로 상승함에 따라 외부 대기압이 감소하고 산소 함량도 감소합니다.

기내에 가압 된 공기가 공급되지 않으면 승객들은 산소 부족으로 인한 피로, 현기증, 두통 및 의식 상실과 같은 증상과 함께 저산소증 (또는 산병)에 시달리게됩니다.

기내로의 압축 공기 공급 실패 또는 감압이 발생하면 비행기가 즉시 하강해야하는 비상 상황이 발생하고 탑승자는 모두 산소 마스크를 착용해야합니다.

성층권의 비행, 초음속 비행기

10,000m 이상의 고도에서는 성층권에서 기체 층의 밀도가 낮아 비행에 유리한 양력도 더 낮습니다.

반면, 이러한 높은 고도에서는 공기 중의 산소 (O ₂ ) 함량 이 낮으며 이는 항공기 엔진을 작동시키는 디젤 연료의 연소와 실내의 효과적인 가압을 위해 필요합니다.

지표면에서 10,000 미터 이상의 고도에서 비행기는 초음속이라고하는 매우 빠른 속도로 이동해야하며 해수면에서 시속 1,225km에 도달해야합니다.

그림 2. Concorde 초음속 상업용 항공기. 출처 : Eduard Marmet

현재까지 개발 된 초음속 항공기의 단점

초음속 비행은 소닉 붐을 생성하는데, 이는 천둥과 유사한 매우 큰 소음입니다. 이러한 소음은 동물과 인간에게 부정적인 영향을 미칩니다.

또한 이러한 초음속 항공기는 더 많은 연료를 사용해야하므로 낮은 고도에서 비행하는 항공기보다 더 많은 대기 오염 물질을 생성합니다.

초음속 항공기는 제조에 훨씬 더 강력한 엔진과 값 비싼 특수 재료가 필요합니다. 상업용 비행은 경제적으로 비용이 너무 많이 들기 때문에 구현이 수익성이 없었습니다.

참고 문헌

1. SM, Hegglin, MI, Fujiwara, M., Dragani, R., Harada, Y 외. (2017). S-RIP의 일부로 재분석에서 상부 대류권 및 성층권 수증기와 오존의 평가. 대기 화학 및 물리학. 17 : 12743-12778. 도이 : 10.5194 / acp-17-12743-2017
2. Hoshi, K., Ukita, J., Honda, M. Nakamura, T., Yamazaki, K. 외. (2019). 북극해에 의해 변조 된 약한 성층권 극지 ​​소용돌이 현상-얼음 손실. 지구 물리학 저널 : 대기. 124 (2) : 858-869. 도이 : 10.1029 / 2018JD029222
3. Iqbal, W., Hannachi, A., Hirooka, T., Chafik, L., Harada, Y. 외. (2019). 북대서양 Eddy-Driven Jet 가변성에 관한 대류권-성층권 동적 결합. 일본 과학 기술 진흥원. 도이 : 10.2151 / jmsj.2019-037
4. Kidston, J., Scaife, AA, Hardiman, SC, Mitchell, DM, Butchart, N. et all. (2015). 대류권 제트 기류, 폭풍 트랙 및 표면 날씨에 대한 성층권 영향. 자연 8 : 433-440.
5. Stohl, A., Bonasoni P., Cristofanelli, P., Collins, W., Feichter J. et all. (2003). 성층권-대류권 교환 : 리뷰 및 STACCATO에서 배운 내용. 지구 물리학 저널 : 대기. 108 (D12). 도이 : 10.1029 / 2002jD002490
6. Rowland FS (2009) 성층권 오존 고갈. 에서 : Zerefos C., Contopoulos G., Skalkeas G. (eds) 오존 감소의 20 년. 봄 병아리. 도이 : 10.1007 / 978-90-481-2469-5_5