대기 조성·순환과 기압 — 조종사 핸드북 12장 (1/5)

앞 편은 측풍 성분·착륙 차트와 실속속도에서 11장을 닫았습니다. 이번 편은 12장 기상 이론의 앞부분으로, 대기 조성·층, 순환과 전향력, 기압 측정, 고도가 비행·인체에 미치는 영향, 고기압·저기압 바람까지입니다.

날씨가 비행을 가르는 이유

날씨(weather)는 항공기 성능과 비행 안전에 영향을 주는 중요한 인자입니다. 어떤 시각·장소의 대기 상태로, 온도(덥고 추움), 수분(습하고 건조함), 풍속(고요와 폭풍), 시정(맑음과 흐림), 기압(높고 낮음) 같은 변수를 말합니다. “날씨”라는 말은 강풍처럼 해롭거나 파괴적인 대기 상태에도 씁니다.

이 장은 기본 기상 이론을 설명하고, 조종사에게 기상 원리의 배경 지식을 줍니다. 날씨가 일상 비행에 어떻게 영향을 주는지 이해하도록 짜여 있습니다. 이론을 알면 비행업무소(FSS, Flight Service Station) 기상 전문가와 다른 항공 기상 서비스에서 받은 보고·예보를 바탕으로 기상 판단을 내릴 수 있습니다. (역주: 국내는 항공기상청·브리핑·ATIS 등 해당 경로를 확인하세요.)

국지 비행이든 긴 장거리 비행이든, 날씨에 근거한 판단은 비행 안전을 크게 바꿉니다.

대기 — 350마일짜리 공기 담요

대기(atmosphere)는 지구를 둘러싼 기체 혼합물의 공기 담요로, 지표면에서 거의 350마일까지 이어집니다. 이 혼합물은 끊임없이 움직입니다. 대기가 눈에 보인다면, 소용돌이와 와류, 오르내리는 공기, 멀리 가는 파도가 있는 바다처럼 보일 것입니다.

지구 위 생명은 대기, 태양 에너지, 행성의 자기장으로 지탱됩니다. 대기는 태양 에너지를 흡수하고, 물과 다른 화학물질을 순환시키며, 전기·자기력과 함께 온화한 기후를 만듭니다. 또 고에너지 복사와 차디찬 우주 진공으로부터 지구 생명을 지킵니다.

대기의 조성 — 질소 78, 산소 21, 나머지 1

임의의 공기 부피에서 대기를 이루는 기체의 78%는 질소, 21%는 산소입니다. 아르곤, 이산화탄소, 미량 기체가 나머지 1%입니다. 이 공기에는 수증기도 들어 있으며, 부피비로 0~약 5%까지 변합니다. 이 적은 수증기가 날씨의 큰 변화를 만듭니다.

지구를 둘러싼 기체 껍질은 땅에서부터 위로 바뀝니다. 열 특성(온도 변화), 화학 조성, 운동, 밀도를 써서 네 층 또는 권이 구별됩니다.

첫 층인 대류권(troposphere)은 남북극 위에서 6~20 km(4~12마일), 적도 지방 위에서는 48,000피트(14.5 km)까지입니다. 날씨, 구름, 폭풍, 온도 차이의 거의 전부가 이 첫 층에서 일어납니다. 대류권 안에서 평균 온도는 고도 1,000피트 오를 때마다 약 2 °C씩 떨어지고, 압력은 고도 1,000피트마다 약 1인치씩 떨어집니다.

대류권 꼭대기의 경계가 대류권계면(tropopause)입니다. 수분과 그에 딸린 날씨를 대류권 안에 가둡니다. 대류권계면 고도는 위도와 계절에 따라 달라서, 둥글다기보다 타원입니다. 대류권계면의 위치는 제트기류(jet stream)와 맑은하늘난기류(CAT, clear air turbulence)가 자주 겹치므로 중요합니다.

대류권계면 위에 대기 층이 셋 더 있습니다. 먼저 성층권(stratosphere)은 대류권계면에서 약 160,000피트(50 km)까지입니다. 이 층에는 날씨가 거의 없고 공기는 안정하지만, 어떤 종류의 구름은 가끔 여기까지 뻗습니다. 성층권 위는 중간권(mesosphere)과 열권(thermosphere)이며, 날씨에 미치는 영향은 거의 없습니다.

대기 순환 — 불균등 가열이 공기를 움직인다

앞에서 말했듯 대기는 끊임없이 움직입니다. 대기를 움직이게 하는 인자는 여럿이지만, 큰 인자는 지구 표면의 불균등 가열입니다. 이 가열이 대기의 평형을 깨 공기 운동과 기압을 바꿉니다. 지구 표면 주위로 공기가 움직이는 것을 대기 순환(atmospheric circulation)이라고 합니다.

지구 표면을 가열하는 과정은 여러 가지입니다. 다만 이 논의의 단순 대류 모형에서는 태양이 복사하는 에너지가 지구를 덥힙니다. 따뜻한 공기가 올라가고 더 찬 공기가 그 자리를 채우면서 원형 운동이 생깁니다.

따뜻한 공기가 올라가는 이유는, 열이 공기 분자를 벌어지게 하기 때문입니다. 공기가 팽창하면 주변보다 밀도가 낮고 가벼워집니다. 식으면 분자가 더 촘촘히 모여 따뜻한 공기보다 밀도 높고 무거워집니다. 그래서 차고 무거운 공기는 가라앉아, 올라가던 따뜻한 공기를 밀어냅니다.

지구는 기울어진 축으로 자전하면서 태양을 도는 곡면이라, 적도 지방이 극지방보다 태양열을 더 받습니다. 지구를 덥히는 태양 에너지의 양은 시기와 그 지역의 위도에 달립니다. 이 모든 인자가 햇빛이 표면에 닿는 시간과 각도를 바꿉니다.

태양 가열로 적도 부근 온도가 높아지면 공기는 밀도가 낮아져 올라갑니다. 따뜻한 공기가 극 쪽으로 흐르면서 식어 밀도가 커지고, 다시 표면으로 가라앉습니다.

대기압 — 해면에서 14.7파운드, 18,000피트에서 절반

지구 표면의 불균등 가열은 공기 밀도를 바꾸고 순환을 만들 뿐 아니라, 공기 분자 무게가 가하는 힘 곧 기압도 바꿉니다. 공기 분자는 보이지 않아도 무게가 있고 공간을 차지합니다.

발자국이 1제곱인치이고 높이 350마일인 밀봉 공기 기둥을 상상하십시오. 그 기둥을 들려면 14.7파운드의 힘이 필요합니다. 이것이 공기의 무게입니다. 기둥을 짧게 자르면 바닥의 압력(그리고 무게)도 줄어듭니다.

18,000피트에서 짧아진 공기 기둥의 무게는 약 7.4파운드로, 해면의 거의 50%입니다. 예를 들어 해면 교정 체중계를 18,000피트로 올리면, 해면에서 14.7파운드이던 공기 기둥은 18,000피트만큼 짧아져 해면보다 약 7.3파운드(50%) 덜 나갑니다. 실제 기압은 고도, 온도, 공기 밀도에 따라 장소와 시각마다 다릅니다. 이 조건은 이륙, 상승률, 착륙을 중심으로 항공기 성능에도 영향을 줍니다.

전향력 — 북반구에서는 오른쪽으로

일반 대기 순환 이론에서는 온도 차 때문에 적도 위에 저기압, 극 위에 고기압이 있습니다. 그 저기압 때문에 극의 고기압 공기가 행성 표면을 따라 적도 쪽으로 흐릅니다. 이 순환 모형은 이론상 맞지만, 실제 순환은 여러 힘이 바꿉니다. 그중 가장 중요한 것이 지구의 자전입니다.

지구 자전이 만드는 힘을 전향력(Coriolis force)이라고 합니다. 사람은 천천히, 지구의 크기·자전 속도에 비하면 짧은 거리만 움직이므로 걸어 다닐 때는 느껴지지 않습니다. 그러나 기단이나 수괴처럼 큰 거리의 운동에는 전향력이 크게 작용합니다.

전향력은 북반구에서 공기를 오른쪽으로 밀어, 직선 대신 곡선 경로를 따르게 합니다. 편향량은 위도에 따라 다릅니다. 극에서 가장 크고 적도에서 0입니다. 전향력의 크기는 움직이는 물체의 속도에도 따라, 속도가 클수록 편차도 큽니다. 북반구에서는 지구 자전이 움직이는 공기를 오른쪽으로 밀어 공기의 일반 순환을 바꿉니다.

전향력은 일반 흐름을 각 반구에서 세 세포로 나눕니다. 북반구에서는 적도의 따뜻한 공기가 표면에서 올라가 북쪽으로 가다가, 지구 자전에 동쪽으로 밀립니다. 적도에서 북극까지 거리의 3분의 1을 가면 더는 북쪽이 아니라 동쪽입니다. 이 공기는 식어 위도 약 30°의 띠에서 가라앉고, 표면으로 내려오며 고기압대를 만듭니다. 이어서 표면을 따라 남쪽으로 적도를 향해 돌아갑니다. 전향력이 흐름을 오른쪽으로 꺾어, 위도 30°에서 적도까지 우세한 북동 무역풍을 만듭니다. 비슷한 힘이 위도 30°~60°, 그리고 60°~극을 두르는 순환 세포를 만듭니다. 이 순환 때문에 미국 본토의 상층은 우세한 편서풍이 됩니다.

순환은 계절 변화, 대륙과 해양 표면의 차이, 지형이 만드는 마찰력처럼 대기 속 공기 운동을 바꾸는 다른 인자로 더 복잡해집니다. 예를 들어 지면 2,000피트 안에서는 표면과 대기 사이 마찰이 움직이는 공기를 느리게 합니다. 마찰력이 바람을 경로에서 밀어내므로, 지상풍 방향은 겨우 몇천 피트 위의 바람 방향과 다소 다릅니다.

대기압의 측정 — 수은주에서 ISA까지

대기압은 역사적으로 수은 기압계로 수은주인치(\”Hg)를 쟀습니다. 기압계는 유리관 속 수은 기둥의 높이를 잽니다. 수은의 일부가 대기압에 노출되어 힘을 받습니다. 압력이 오르면 관 속 수은이 올라가고, 압력이 떨어지면 수은이 관에서 빠져 기둥 높이가 낮아집니다. 이런 기압계는 실험실이나 기상관측소에서 쓰이며, 옮기기 어렵고 읽기도 어렵습니다.

지금은 아네로이드 기압계(aneroid barometer)가 압력을 재는 표준 계기입니다. 읽기 쉽고 옮기기 쉽습니다. 닫힌 용기인 아네로이드 셀이 압력 변화에 따라 수축·팽창하고, 기계 링크로 지시기에 붙어 압력 눈금을 줍니다. 항공기 고도계의 압력 감지부는 본질적으로 아네로이드 기압계입니다. 링크 기구 때문에 수은 기압계만큼 정확하지는 않습니다.

공통 기준을 위해 국제표준대기(ISA, International Standard Atmosphere)가 정해졌습니다. 이 표준 조건이 일부 비행계기와 대부분의 항공기 성능 자료의 바탕입니다. 표준 해면기압은 29.92 \”Hg, 표준 온도는 59 °F(15 °C)입니다. 대기압은 밀리바(mb)로도 보고하며, 1 \”Hg ≈ 34 mb입니다. 표준 해면기압은 1,013.2 mb입니다. 전형적인 mb 기압 읽음은 950.0~1,040.0 mb입니다. 지상 일기도, 고·저기압 중심, 허리케인 자료는 mb로 보고합니다.

기상관측소가 지구 곳곳에 있으므로, 기록·보고의 표준을 위해 모든 국지 기압 읽음은 해면기압으로 환산합니다. 각 관측소는 고도 1,000피트마다 약 1 \”Hg를 더합니다. 예를 들어 해발 5,000피트 관측소의 읽음이 24.92 \”Hg이면, 해면기압은 29.92 \”Hg로 보고합니다. 공통 해면기압을 쓰면 현재 기압 읽음에 맞춰 항공기 고도계를 바르게 맞출 수 있습니다.

넓은 지역의 기압 경향을 추적하면 기압계의 이동과 그에 딸린 날씨를 더 정확히 예측할 수 있습니다. 한 관측소에서 기압이 오르는 경향은 대체로 맑은 날씨의 접근을 뜻합니다. 반대로 기압이 내리거나 급강하하면 보통 나쁜 날씨, 때로는 심한 폭풍의 접근입니다.

고도와 대기압 — 1,000피트에 1인치

고도가 오르면 대기압은 떨어집니다. 평균으로 고도 1,000피트마다 대기압은 1 \”Hg 감소합니다. 압력이 줄면 공기는 묽어집니다. 더 높은 고도에 있는 것과 같고, 이를 밀도고도(density altitude)라고 합니다. 압력이 줄면 밀도고도가 커지고, 항공기 성능에 뚜렷한 영향을 줍니다.

온도 변화가 만든 공기 밀도 차이는 압력을 바꾸고, 그 결과 연직 기류와 수평 바람이라는 운동이 생깁니다. 대기는 평형을 찾으려 거의 끊임없이 움직입니다. 끝나지 않는 공기 운동이 연쇄를 일으켜 날씨를 계속 바꿉니다.

고도와 비행 — 해면 745피트 활주가 8,000피트에서 두 배

고도는 항공기 성능부터 사람 성능까지 비행의 모든 면에 영향을 줍니다. 높은 고도에서 대기압이 낮아지면 이착륙 거리는 늘고 상승률은 줄어듭니다.

이륙 때 양력은 날개 주위 기류로 생깁니다. 공기가 묽으면 이륙에 필요한 양력을 얻으려면 속도가 더 필요하므로 지상 활주가 깁니다. 해면에서 지상 활주 745피트가 필요한 항공기는 기압고도 8,000피트에서 그 두 배가 넘습니다. 높은 고도에서는 공기 밀도가 낮아 엔진과 프로펠러 효율도 떨어집니다. 상승률이 줄고, 장애물 회피를 위한 지상 활주도 더 깁니다.

이륙 거리 보기. 조건: 최대중량 2,400 lb, 0 °C.

고도와 인체 — 10,000피트에서 반응이 무뎌진다

앞에서 질소와 기타 미량 기체가 대기의 79%, 나머지 21%가 생명을 지탱하는 대기 산소라고 했습니다. 해면에서는 대기압이 정상 성장·활동·생명을 지탱할 만큼 큽니다. 18,000피트가 되면 산소 분압이 줄어 인체의 정상 활동과 기능에 해가 됩니다.

평균적인 사람의 반응은 고도 약 10,000피트에서 손상되고, 어떤 사람은 5,000피트만큼 낮아도 손상됩니다. 저산소증(hypoxia) 곧 산소 결핍의 생리 반응은 은밀하고, 사람마다 다릅니다. 증상은 가벼운 지남력 상실부터 완전 무력까지, 신체 내성과 고도에 달립니다. 보충 산소나 객실 여압은 더 높은 고도에서 산소 결핍을 이기는 데 도움이 됩니다.

바람과 기류

공기는 언제나 더 낮은 압력을 찾으므로 고기압에서 저기압으로 흐릅니다. 기압 차, 전향력, 마찰, 지표면 근처 공기의 온도 차가 합쳐져 대기 운동이 두 가지가 됩니다. 대류 기류(위·아래)와 바람(수평)입니다. 기류와 바람은 이륙·착륙·순항에 영향을 줍니다. 무엇보다 기류와 바람, 곧 대기 순환이 날씨 변화를 만듭니다.

바람 패턴 — 북반구 고기압은 시계 방향

북반구에서 고기압에서 저기압으로 가는 흐름은 오른쪽으로 밀려, 고기압 주위로 시계 방향 순환을 만듭니다. 이를 고기압성 순환(anticyclonic circulation)이라고 합니다. 저기압은 반대입니다. 공기가 저기압으로 흘러들며 밀려 반시계 곧 저기압성 순환(cyclonic circulation)이 됩니다.

고기압은 대체로 건조하고 가라앉는 공기입니다. 그래서 좋은 날씨가 고기압과 자주 같이 옵니다. 반대로 공기는 올라가는 공기를 메우려고 저기압으로 흘러듭니다. 이 공기는 보통 구름과 강수를 늘립니다. 나쁜 날씨는 저기압과 흔히 같이 옵니다.

고·저기압 바람 패턴을 잘 알면 비행 계획에 큰 도움이 됩니다. 순풍을 이용할 수 있기 때문입니다. 서에서 동으로 갈 때는 고기압의 북쪽, 또는 저기압의 남쪽에서 유리한 바람을 만납니다. 돌아올 때는 같은 고기압의 남쪽, 또는 저기압의 북쪽이 가장 유리합니다. 보너스는 항로를 따라 그 지역의 우세 고·저기압으로 어떤 날씨를 기대할지 더 잘 이해하게 된다는 점입니다.

다음 편은 국지 순환의 한계, 대류 기류, 해륙풍과 지형·건물 장애물이 만드는 바람입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.