지구 대기권과 자기권 (磁氣圈) magnetosphere

지구 대기권과 자기권

 

 

 

 

 

 

 

 대기권

(1) 지구의 표면을 둘러싸고 있는 공기의 층을 대기권이라고 한다.(고도 약 10 000 ㎞ 이후는 우주 공간)

       ☆ 지구와 우주의 경계를 고도 100 ㎞로 보는 The Karman line 이 있다.
   (2) 대기권은 높이에 따른 온도 변화에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권으로 구분한다.
        ① 대류권, 중간권 : 높이 올라갈수록 기온이 낮아진다.
        ② 성층권, 열권, 외기권 : 높이 올라갈수록 기온이 높아진다.

        ☆ 각 층의 경계면을 대류권 계면 , 성층권 계면, 중간권 계면 이라고 한다.
   (3) 대기권은 질소, 산소 등과 같은 여러 가지 기체로 이루어져 있으며, 지표에서 높이
        100km까지는 공기의 성분비가 거의 일정하다.

        전체 대기 원소 질량의 약 90%가 고도 약 16km이내에 분포한다.

        전체 대기 원소 질량의 약 99.999 97%가 고도 약 100km이내에 분포한다.

        (그렇다고 원소가 존재하지 않는 비물질의 공간이 대기권 외곽에 있다는 의미는 아님.

         태양계 내의 어느 곳에도 원소는 존재하지만 각 행성들에 밀집 상태로 몰려 있다고 할 수 있다.)

 

        (태양의 화염에서는 끊임없이 질량체를 태양 바깥쪽으로 방출한다.; CME (coronal mass ejection)

가벼운 물질이어서 태양의 중력에 붙잡혀 태양을 벗어나지 못 할것 같지만, 사실은 그렇지 않다. 지구에 불규칙한 양으로 지속적으로 유입되어 지구에서의 전파 반사에 교란이 발생한다. 이 때문에 종종 전파 교신에 장애를 가져오는 경우가 발생한다. 또한, 이것은 태양과 지구 사이에는 물질이 전혀 존재하지 않는 완전진공의 상태가 존재하지 않음을 나타낸다.) 

 

자기권 (磁氣圈) magnetosphere

 

이온화에 의한 자기현상과 높은 대기전도도가 전하를 띤 입자들의 운동에 중요한 역할을 하는 대기 영역.

 

지구는 화성이나 금성과는 달리 상당한 표면 자기장을 가지고 있는데(약 0.5G), 중력장과 마찬가지로 지구 표면 자기장은 지구 중심으로부터 거리가 증가할수록 약해진다. 태양 쪽으로 대략 지구 반지름의 10배가 되는 거리(약 6만 5,000㎞)에서 자기장은 매우 약해져 지구 중력으로부터 이탈하는 입자들의 압력이 태양풍(태양의 중력장으로부터 이탈하는 주로 양성자와 전자의 흐름)에 의해 반대방향으로 받는 압력과 비슷해진다. 이 평형상태에 있는 영역은 100㎞의 두께를 가지고 있으며, 자기권계면(磁氣圈界面)이라고 하는 자기권의 상부 경계를 나타낸다. 자기권의 하부 경계는 지면에서 수백㎞ 위에 있다.

 

태양으로부터 먼 쪽에 있는 어두운 쪽에서는 자기장과 태양풍에 의한 힘이 평행하므로 자기권이 상당한 거리까지 뻗어 수 천문단위(1 천문단위는 지구와 태양 사이의 평균거리를 나타냄. 약 1.5×10⁸㎞)까지 이르기도 한다. 태양풍과 수직을 이루는 방향에서는 무질서한 운동을 하는 태양풍 입자들이 자기장에 약한 압력을 가해 자기권을 다소 압축시킨다. 그결과 자기권은 핵 또는 머리 근처에 지구가 위치하고 태양으로부터 멀리 지구를 지나 길게 뻗어 있는 꼬리를 갖는 혜성과 같은 모양을 나타낸다. 태양 쪽으로 지구 반지름의 10배와 13배가 되는 사이에 자기외층(磁氣外層)이 존재하는데, 이 영역에서는 지구자기장의 세기와 방향이 매우 불규칙적으로 변하는 자기 난류가 존재한다. 이러한 교란은 자기유체역학적인 충격파의 발생, 즉 고속의 태양풍 입자들에 의한 것으로 보인다. 태양 쪽으로 형성된 이 활 모양의 충격파 경계 앞쪽에는 교란되지 않는 태양풍이 존재한다.

 

지구의 대기권과 대기권이 보호되도록  태양풍을 직접적으로 방어하는 이온권, 플라즈마권을 포함한 영역으로 지구 자체의 자성에 의해 유지 된다.

 

1 gauss = 100,000nT (nano teslas)
1 nT=1 gamma
1 oersted= 1 gauss in air
Earth's field = 50,000 gamma (approx.) at mid latitudes

The Earth's field at the surface at our latitude is 0.5 gauss.
It is 0.63 gauss at the pole, and 0.3 gauss at the equator.

 

 

 

대기권의 구조 (1) 대류권 ① 지표면으로부터 약 10km 높이까지의 구간을 대류권이라고 한다. ② 대류권에서는 위로 올라갈수록 기온은 하강하는데, 100m 올라감에 따라 약 0.65℃ 씩 하강하여 10km 높이에서는 -50℃ 정도가 된다. ③ 대기권을 구성하는 전체 기체의 약 75%가 지표면에 가까운 대류권에 집중되어 있다. ④ 대기가 불안정하여 대류 현상과 구름, 비가 내리는 기상 현상이 나타난다. (2) 성층권 ① 지표로부터 약 10∼50km의 구간을 성층권이라고 한다. ② 지표로부터 약 20∼30km의 구간에 오존층이 존재하며, 오존층은 태양으로부터 오는 자외선을 흡수하여 지구상의 생물을 보호한다. ③ 성층권의 아랫부분에서는 -50℃ 정도로 기온이 일정하지만, 윗부분은 자외선을 흡수한 오존층이 가열되어 위로 올라갈수록 기온이 높아진다. ④ 위아래의 공기가 섞이는 대류 현상이 나타나지 않는다. ⑤ 구름 등의 기상 현상이 없으므로 비행기의 항로로 이용되고 있다. (3) 중간권 ① 지표로부터 약 50∼80km의 구간을 중간권이라고 한다. ② 중간권에서는 위로 올라갈수록 기온은 하강하며, 약 80km 높이에서는 대기권 중 가장 낮은 온도(-90℃)가 나타난다. ③ 대기가 불안정하여 대류 현상이 나타나지만, 공기가 희박하여 기상 현상은 나타나지 않는다. (4) 열권 ① 중간권 위로부터 약 600km 높이까지의 구간을 열권이라고 한다. ② 열권에서는 위로 올라갈수록 기온이 높아진다. ③ 공기가 매우 희박하여 밤낮의 기온차가 매우 크다. ④ 극지방에서는 청백색 또는 황록색의 오로라(극광) 현상이 나타난다. ⑤ 전리 F층이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	압력 (Torr)	압력 (Pa)
대기압	760	1.013×10+5
저진공	760 to 25	1×10+5 to 3×10+3
중진공	25 to 1×10−3	3×10+3 to 1×10−1
고진공	1×10−3 to 1×10−9	1×10−1 to 1×10−7
초고진공	1×10−9 to 1×10−12	1×10−7 to 1×10−10
극초고진공	<1×10−12	<1×10−10
우주 공간	1×10−6 to <3×10−17	1×10−4 to <3×10-15
완전 진공	0	0

 

 

우주는 평균적으로 고진공이고 아주 저온입니다. 즉 분자가 거의 없는 곳으로 고진공이고, 분자의 운동이 없으면 온도도 없으므로 몹시 추운 공간입니다.

 

 

 

 

 

 

궤도 명칭			표시	고도(km)	궤도 반경(km)
Earth			Blue/brown image	0	6370
Low Earth Orbit (LEO)			Cyan area	160 to 2,000	6,530 to 8,370
Medium Earth Orbit (MEO)			Yellow area	2,000 to 34,780	8,370 to 41,150
International Space Station (ISS)			Red dotted line	500	6,870
Global Positioning System (GPS) satellites			Green dash-dot line	20,230	26,600
Geostationary Orbit (GEO)			Black dashed line	35,794	42,164

 

GEO 위성 궤도의 인공위성의 움직임과 지구의 자전 
 

무궁화 5호 : 36 000 km GEO(정지궤도), 1주(공전) : 24 시간 : 지구 자전시 특정 위치와 동일방향에 위치

GPS 위성 고도 : 20 350 ㎞, 1주(공전) : 12 시간

과학기술위성 1호 : 690km

아리랑 1호,2호 : 685km

허블 우주 망원경 고도 : 589 ㎞, 7 500 m/s

WISE 고도 : 525 ㎞

러시아 구 우주 정거장 MIR 고도 : 390 ㎞

국제 우주 정거장 고도 : 340 ㎞, 27,743.8 km/h

세계 최초의 인공위성 스푸트니크 -1 위성 고도 : 215 ㎞

X-15 Flight 91 비행기 기록 : 107.96 ㎞, 1963 년 8 월

극궤도 위성 고도 : 700~1700㎞