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우주왕복선
엔데버 호의 사진. 주황색의 대류권과 흰색 성층권 사이 계면이 뚜렷하게 나타난다. |
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성층권에서 운항했던 초음속 여객기
콩코드의 후계기 격인 붐 오버추어(Boom Overture). 2026년 상용화될 예정이다. |
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1. 개요
성층권( 成 層 圈, Stratosphere, Strato)은 지구 대기권을 구성하는 층의 하나로, 대류권의 상층에 해당한다.대개 지표면 상공 약 10~13km 에서 시작되어 약 50km 에서 끝나는데, 시작 되는 높이는 위도마다 조금씩 달라진다. 북극과 남극에서는 좀 더 낮은 곳에서 시작되어 약 8km 상공부터 성층권이 시작되며, 반대로 적도 근처에서는 상공 약 18km 부터에서나 시작되기도 한다.
지구에서 가장 높은 에베레스트의 해발고도가 8,848.86m, 약 9km 정도밖에 안 되기 때문에 성층권에 닿으려면 비행하는 수밖에 없다.
우주선을 제외한 일반적인 비행기가 운행하는 최고 높이 구간이기도 하다. 일반 여객기는 보통 6~12km 높이에서 비행하며, 전투기나 초음속 비행기들은 그보다 높고 대기가 희박한 18km~ 최대 27km[1] 높이에서 쌩쌩 날아다니기도 한다. 제트기는 기온이 낮아 제트 엔진의 효율이 높아지는 하부 성층권 대류권 계면 높이에서 비행한다. 초음속 여객기로 유명했던 콩코드의 경우 고도 6만 피트(18km)까지 올라갔다. 군사용으로 개발되는 전투기는 이보다 더 높은 고도에서 비행할 수 있는데, 고고도 방공망을 구축하기 위한 목적으로 운용되는 MiG-31의 경우 고도 20km 상공에서 작전할 수 있다.
화산 폭발의 규모가 크면 화산쇄설류가 여기 성층권까지 도달하기도 하며, 상층대기 번개 중에서는 블루 제트(blue jet)가 발생하는 권역이기도 하다.
2. 특징
2.1. 기온
성층권에서의 기온 분포는 좀 특이하다. 일상적으로는 높이 올라가면 춥다. 더 높이 올라가면 더 춥다. 그런데 아주 높이 올라가서 성층권까지 도달하면, 높이 올라갈수록 조금씩 더워진다. 즉, 성층권에서는 우리가 접하는 대류권에서와는 반대로 고도가 높아질수록 기온이 올라간다. 그 때문에 성층권의 가장 높은 부분의 기온은 영하 3°C 정도로서 상상하는 것보다는 낮지 않다.대류권과의 경계인 권계면에서 기온의 역전 현상이 시작되며, 이 때문에 권계면 근처에서는 대류 활동이 거의 일어나지 않는다. 대류권에서처럼 높이 올라갈수록 주변이 차가워져야 특정 공기 덩어리가 계속해서 위로 올라갈 텐데, 성층권에서는 그렇지 않기 때문이다. 이 때문에 성층권은 안정되어 있다. 물론 공기의 흐름이 전혀 없는 것은 아니지만, 이는 주로 제트기류의 변화나 국지적 바람 때문인 것이지 대류현상 때문은 아니다.
성층권 위로는 중간권인데 거기에서는 다시 올라갈수록 기온이 내려간다. 물론 대류 현상도 다시 일어난다.[2]
성층권에서 기온 역전이 일어나는 것은 오존(O3)의 생성 및 분해와 관련이 있다. 강한 자외선이 산소 분자(O2)에 비춰지면 단원자 산소(O)로 분해되는데, 이들이 결합하여 다시 산소 분자(O2)가 되거나, 산소 분자(O2)와 결합하여 오존(O3)이 되곤 한다. 이러한 과정에서 열이 발생하고, 그 열로 인해 성층권의 기온 역전이 일어난다. 생성된 오존은 자외선을 흡수하여 분해되어 단원자 산소(O)와 산소 분자(O2)로 다시 돌아간다.
2.2. 산소 구성
성층권의 고도별로 산소 동소체들의 구성비가 달라진다. 성층권의 위쪽 부분에는 단원자 산소가 많다. 이는 강한 자외선 때문에 산소 분자와 오존이 단원자 산소로 활발하게 분해되기 때문이다. 성층권 중간 부분은 비춰지는 자외선이 상대적으로 적어서 단원자 산소와 산소 분자가 결합할 만한 여건이 되는 곳이다. 이 둘이 결합하면 오존이 되며, 자연 생성되는 오존의 대부분이 이곳에서 만들어진다. 성층권의 낮은 쪽에는 자외선이 적게 비춰지며, 특히 UVC 영역의 자외선은 극히 조금만 비춰진다. 따라서 단원자 산소가 생기지 않고, 따라서 오존도 생성되지 않는다. 열이 생성될 건덕지도 별로 없다.2.2.1. 관련 문서
3. 비행
민항 제트기는 온대 지역의 경우 대개 9~12km 정도의 고도에서 운항하는데, 이는 성층권 가장 아랫 부분에 해당한다. 굳이 이 고도를 택하는 이유는 연료 효율이 극대화 되기 때문이다. 제트엔진은 외부 기온이 낮을수록 효율적인데, 기온이 가장 낮아지는 곳이 대류권계면이다.[3] 게다가 이 높이에서는 공기가 희박해서 공기 저항도 작아진다. 연료 효율 외에도, 대류권 위쪽이라 폭풍 등의 기상 현상이 없는 것 또한 이 고도를 택하는 이유다. 음속을 훨씬 뛰어넘는 전투기는 약 18~21km 정도까지 날아오를 수 있으며, SR-71 등의 극초음속 기체들의 경우 작전고도가 최대 약 26 km 정도로 엄청나게 높다. 공기저항이 더욱 작아지기 때문에 초고속 기체들이 하늘을 가르기 딱 좋은 것이다. 다만 이것도 아직은 여기까지가 한계이다.그러나 장거리 국제선 노선의 경우 바로 성층권으로 들어가는 경우는 드물고, 이륙 직후에는 대류권 상층부인 9km 정도까지만 가고 기내 서비스도 3km 정도만 올라가면 바로 시작되는 경우가 많다. 이후 연료 소모에 따라 조금씩 고도를 올려 13시간짜리 비행의 경우 비행 중반에 갔을 때는 10.7km, 약 10,668m 정도로 이때부터 성층권에 들어가며, 착륙 직전에 가야 11~12km 정도까지 올라간다. 오히려 부산 ~ 나리타 노선처럼 800~2,000km 사이, 1시간 반~3시간 정도의 비행서 바로 성층권으로 올라간다.
의외로 글라이더를 이용해 성층권까지 올라간 경우가 몇몇 있다. 이 경우 열 상승기류를 타서는 불가능하고, 산맥에 부딪혀서 상승하는 기류를 타서 올라가야 한다. 참고로 글라이더의 고도 기록은 2006년 8월에 달성된 해발 15km이다. 성층권이란게 생각보단 만만한지 고도 11.5km서 비행기 엔진에 새가 들어간 적도 있다.
일부 과학 서적에는 열기구가 성층권 상부, 성층권계면 아래에서 비행하는 식으로 그려져 있는 경우가 있는데 이 때 말하는 열기구는 사람이 타는 일반적인 열기구는 아니다. 이 고도에서는 강력한 자외선에 노출되며 사람이 숨을 쉴 수 없다. 2004년에는 영국의 탐험가 데이비드 헴플먼애덤스(David Hempleman-Adams)가 12,801m(12km), 2005년에는 인도의 비재이팟 싱하니아(Vijaypat Singhania)라는 사업가가 21,290m까지 올라간 적 있으나, 정상적인 열기구의 운행고도는 500m 정도다. 사실 인간 최초의 성층권 비행도 열기구로 이루어졌다. 1931년 5월 27일 스위스 물리학자 오퀴스트 피카르와 저술가 파울 카이퍼의 15,785m 비행이 바로 그 것. 오퀴스트 피카르는 이 비행을 통해 상층 대기에서의 우주 방사선 측정과 더불어 상층 대기(upper atmosphere)에 관한 여러 데이터들을 수집하는데 성공했다.
2012년 10월, 펠릭스 바움가르트너(Felix Baumgartner)는 기구를 타고 성층권까지 올라간 후, 거기에서 스카이 다이빙을 했다. 레드불이란 음료를 만드는 회사의 "레드불 스트라토스"라는 프로젝트의 일환이었다. 당시 높이는 39.04km로서, 이는 가장 높은 곳에서 스카이다이빙한 기록으로 남았다. 사람이 탄 채로 가장 높은 곳까지 올라간 기구 비행이기도 한데, 아쉽게도 국제항공연맹(FAI)은 인정하지 않았다. 사람이 기구에 탄 채로 착륙까지 해야 기구 비행으로 인정하기 때문이다.
사실 4년 먼저 이에 도전 하려던 사람이 있었다. 미셸 푸르니에. 그러나 그가 비행을 위해 이용하려던 풍선에 헬륨을 주입 하자마자 풍선이 날아가버렸고, 결국 그의 계획도 함께 송두리째 날아가버렸다. 그리고 그는 평생 번 전 재산을 날렸다..
장수만세 폭격기 B-52 스트라토포트리스의 명칭은 여기에서 따왔다.
[1]
SR-71이 26km까지 올라간다.
[2]
기상 현상은 수증기가 없기 때문에 일어나지 않는다.
[3]
물론 절대적인 온도는 중간권과 열권의 경계인 중간권계면이 가장 낮다. 그러나 사실상 이 곳은 공기가 희박해 제트 엔진으로는 기동이 불가능할 것이다.