대기권 구성 성분에 따라 균질권과 비균질권으로 구분하기

 지구를 감싸고 있는 약 1,000km 두께의 공기층인 대기권은 여러 기체들로 구성되어 있습니다. 일반적으로 알고 있는 산소, 질소, 아르곤, 이산화탄소 같은 기체들이죠. 대기를 이루는 이 기체들은 대기권 1,000km 범위 어디서든 일정하게 존재하는 것이 아니며, 때문에 구성 성분에 따라 크게 균질권과 비균질권으로 나눌 수 있습니다.

 

대기의 성분비가 일정한 균질권

 균질권(homosphere)은 지구의 표면으로부터 약 100km까지의 구간입니다. 이 구간에서는 대기를 이루는 여러 기체들의 혼합 작용이 활발하게 일어납니다. 산소나 질소, 아르곤, 이산화탄소 같은 기체들이 이리 저리 서로 골고루 섞인다는 것이죠. 잘 섞이니까 균질권 안에서는 어느 위치에서 공기를 담아도 조성비가 동일합니다. 일반적으로 공기가 질소 78.08%, 산소 20.95%, 아르곤 0.93%와 이산화탄소, 헬륨, 네온 같은 여러 기체들로 이루어져 있다고 하죠? 이 성분비가 바로 균질권의 성분비랍니다. 기체 분자들이 균질하게 섞여 있기 때문에 조성비를 딱 하나로 찾을 수 있는 것이죠.

 균질권에 혼합 작용이 활발하게 일어나는 이유는 비균질권에 비해 상대적으로 지표면에 가깝기 때문에 대기의 밀도가 크고, 대기압의 영향을 받기 때문입니다. 그래서 기체 분자들이 서로 충돌하고 혼합하는 작용이 활발하죠. 여기서 주의할 점은, 균질권에서 대기의 밀도가 일정한 것은 아니라는 것입니다. 대기의 구성 성분비인 조성비가 일정한 것이지, 밀도가 일정한 것이 아닙니다. 지표면에 가까워질수록 중력이 크기 때문에 기체가 아래쪽에 많이 몰리게 되겠죠? 그래서 고도가 높아짐에 따라 대기의 밀도는 급격히 감소하게 됩니다. 이것은 균질권뿐만 아니라 비균질권 역시 마찬가지이죠.

 균질권에서 공기의 조성비는 일정하고 밀도는 올라갈수록 감소하는 것이 헷갈리는 이유가 사실 있습니다. 공기의 조성비는 곧 평균 분자량 분포와 같은 말인데, 분자량은 곧 밀도와 비례하기 때문에 혼동되는 것이죠. 하지만 분자량과 평균 분자량은 다릅니다. 지표면에서 1km 높이의 대기에서 뽑은 공기를 A, 50km 높이에서 뽑은 공기를 B라고 가정합니다. 그러면 고도가 낮은 A에 기체 분자들이 더 많이 몰려있겠죠? 이해하기 쉽게 A의 공기에는 질소 분자 80개, 산소 분자 20개로 이루어져 있다고 해봅시다. 그리고 B의 공기에는 질소 분자 8개, 산소 분자 2개로 이루어져 있다고 가정합니다. A와 B는 모두 균질권의 공기이기 때문에 질소와 산소 간의 비는 8:2로 동일합니다. 이때 A와 B의 분자량은 A가 더 클 것입니다. 분자들이 더 많기 때문이지요. 단, 평균 분자량은 어떤가요? 평균은 결국 전체 개수로 나누어주기 때문에 '비율'의 개념이 들어갑니다. 때문에 밀도가 달라도 구성 성분비가 같을 수 있는 것이죠.

 

대기 성분비가 일정하지 않은 비균질권

 균질권을 벗어난 약 100km 이상의 고도부터는 비균질권(heterosphere)입니다. 균질권과는 반대로, 대기 성분비가 어디서든 다르게 측정됩니다. 이 구역에서는 대기가 매우 희박하기 때문에 혼합 작용보다는 확산 작용이 더 활발하게 일어납니다. 고도가 너무 높아 기체 분자들이 적어 서로 충돌하는 것보다는 확산 분리 작용이 우세한 것이죠.

 고도가 높아질수록 가벼운 기체의 조성비가 증가합니다. 무거운 것들이 가라앉듯, 비균질권에서는 무거운 기체부터 질소, 산소, 헬륨, 수소 순으로 층을 이루며 쌓이게 되어 층상 구조를 나타냅니다. 때문에 비균질권에서는 평균 분자량 또는 대기 조성비, 성분비가 고도가 높아질수록 감소합니다. 이때 산소, 수소 같은 기체들은 태양 복사에너지로 인해 전리(이온화)되어 분자 형태로 표현하지는 않는답니다.

 

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