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대기오염이 심할때 이를 더욱 부채질하는 것이 있다. 바로 역전층 현상이다. 왜 불안정한 대기가 안정된 대기로 변해 오염물질을 정체시킬까, 그 원인을 과학적으로 풀어보자.

가을이 되면서 아침잠에서 깨어나 보면 반갑지 않은 손님이 찾아온다. 스모그가 바로 그런 불청객이다. 밤새 특별하게 오염물질이 증가한 것도 아닌데 앞을 보지 못할 정도로 심한 스모그가 생기는 이유는 무엇일까. 이런 의문을 풀려면 대기운동을 이해하지 않고는 힘들다. 그렇다면 대기는 어떤 원리에 따라 운동하는 것일까.

높은 산이 시원한 이유

지표온도가 30˚C를 넘는 적도 근처에서는 높은 상에는 눈이 쌓여 있다. 굳이 적도까지 찾아가지 않더라도 무더운 여름 높은 산에 올라가면 시원하다는 것을 경험적으로 알 수 있다. 높은 산은 낮은 평야지대보다 태야엥 가까울텐데 왜 그위의 공기온도는 낮을까. 또 온도가 낮은 공기는 밀도가 클텐데 어떻게 산 아래로 미끄러져 내려오지 않을까.

비밀은 태양으로부터 오는 에너지를 직접 대기가 흡수하지 못하는데 있다. 태양에서 오는 복사에너지는 대기에 거의 흡수되지 않고 지표면까지 도달한다. 태양에너지는 지표면에 의해 흡수돼 열로 변한다. 지표면의 온도가 먼저 올라가고 나중에 지표면에 접한 공기가 데워진다.
같은 압력에서는 온도가 높아지면 밀도가 낮아져 가벼워진다. 그래서 지표에서 가열된 공기는 위로 올라가고 주변의 차거운 공기가 몰려드는 대기의 순환작용이 일어나게 된다.

대류작용이 일어나면서 공기의 온도와 압력도 변한다. 이에 따라 밀도의 변화도 일어난다. 공기밀도는 온도에 반비례하고 압력에 비례하기 때문이다. 이러한 결과로 공기의 움직임이 결정된다.

대기는 높이에 따라 압력과 온도가 다르다. 기압은 약 5-6㎞ 상승할 때마다 원래의 반으로 낮아지고, 기온은 평균적인 대류권에서 1km 높아짐에 따라 6.5℃정도 낮아진다.
 

가스통이 차가운 것은 단열변화 때문

야외에서 휴대용 가스기구를 사용한 후 가스통을 살펴보면 표면에 물방울이 맺혀 있고, 만져 보면 매우 차겁다. 또 스프레이 제품을 사용한 후 통을 만져 보면 역시 매우 차다. 이것은 가스통 안에 있던 기체가 주위와 열교환 없이 부피가 팽창했기 때문이다. 주위와 열교환 없이 자체의 부피 변화에 의해 일어나는 기온변화를 단열변화라고 한다.

공기가 상승하거나 하강할 때도 주위의 압력변화로 열교환 없이 팽창하거나 압축된다. 기체를 단열적으로 팽창시키면 외부에 대해서 일을 하게 되므로 내부에너지가 감소해 온도가 내려간다. 반대로 압축하면 외부가 공기에 대해서 일을 해 온도가 상승한다.
단열 상승하는 공기가 단위 높이에 따라 기온이 하강하는 정도를 단열 감율이라고 하는데, 1km당 온도 변화율은 (표1) 과 같다.
 

일기예보의 핵심

“내일 새벽녘은 밤 동안의 복사 냉각으로 역전층이 형성되고 이에 따라 지표면 근처의 대기가 매우 안정해 안개나 스모그가 발생하겠다.”
“내일은 대체로 날씨가 맑겠으나 곳에 따라 대기가 매우 불안정해 소나기 구름이 만들어져 가끔 천둥 번개와 더불어 소나기가 내리겠다.”
이것은 TV나 라디오의 일기예보에서 종종 듣는 말이다. 안개나 스모그는 새벽에, 소나기구름은 한낮이 지난 직후에 잘 만들어지는 이유는 무엇일까. 이를 알기 위해서는 대기가 ‘안정하다’ 또는 ‘불안정하다’라는 말을 먼저 이해해야만 한다.
 

원래의 위치를 계속 유지하려는 성질이 강해 운동이 억제되는 상태를 ‘안정하다’라고 말한다. 이와 달리 제자리를 벗어나려는 성질이 강해 운동이 계속 유지되는 상태를 ‘불안정하다’라고 말한다.

대기운동도 마찬가지다. 공기덩어리의 연직운동은 높이에 따른 기온분포의 영향을 받는다. 또한 상승 또는 하강하는 공기덩어리 자체의 온도변화율이 중요하다. 대기는 하루 동안 이러한 안정과 불안정한 상태를 바꿔간다. 바람이 없는 맑은 날 지표면 근처의 기온이 시간에 따라 어떻게 변화하는지(그림 3)을살펴봄으로써 대기운동의 변화를 함께 알아보자.
 

해가 뜨면서부터 가열되는 지표면은 오후 2시경에 가장 온도가 높다. 이때 높이에 따른 기온의 변화율도 커서 하루 중 가장 불안정한 대기가 된다. 그러므로 이때를 전후해서 소나기 구름이 만들어지기 쉽다.

오후 3시경이 지나면 지표면이 냉각되고, 근처의 공기도 지표면에 열을 빼앗기면서 냉각되기 시작한다. 그래서 오후 7시경이 되면 높이에 따라 기온이 상승하는 역전층이 형성된다.

역전층은 아래 대기가 차갑고 위 대기가 따뜻한 것을 말한다. 이러한 역전층은 밤을 지나면서 더욱 발달해 다음날 해뜨기 직전인 오전 6시경에 가장 두껍다. 이때 대기는 하루 중 가장 안정하다. 해가 뜨기 시작하면 지표면에 접한 공기부터 역전층이 소멸되기 시작한다. 그래서 오전 10시가 지나면 역전층은 완전히 소멸된다.

역전층은 바람이 없고 건조한 날 밤 동안에 지표면이 복사 냉각이 심한 경우에 잘 생긴다. 이외에도 따뜻한 공기가 차가운 공기나 찬 지면 위를 이동할 때와 전선면에서 따뜻한 공기가 찬 공기 위를 밀고 올라갈 때에도 흔히 발생한다.
 

역전층은 오염의 공범자

서울 남산에 올라가 도심을 바라보면 뿌옇게 스모그가 낀 것을 흔히 볼 수 있다. 이것은 도시 상공에 역전층이 형성되기 때문이다. 역전층은 대기가 안정돼 있어 아래에서 발생한 각종 매연이나 자동차의 배기가스 등의 오염물질이 위로 확산되지 못하도록 막는다. 그래서 역전층이 생기면 심각한 대기오염현상이 일어난다고 말한다. 하지만 역전층은 대기오염의 주범이 아니다. 다만 대기오염현상이 지속되도록 돕는 공범 역할을 할 뿐이다.

역전층이 발생하는 것을 인위적으로 막을 수는 없다. 다만 미리 알면 피해를 최소화할 수 있기 때문에 역전층이 발생할 수 있는 경우를 주목할 필요가 있다. 역전층이 발생했을 때는 평소보다 오염물질의 배출을 자제해 오염에 의한 피해를 최소화해야 할 것이다. 생활 쓰레기를 소각할 때 대기상태가 가장 불안정한 오후 2-3시에 하는 것도 하나의 방법이 될 것이다.

눈송이의 비밀

눈을 현미경을 들여다 보면 아름다운 결정을 이루고 있다. 눈의 모양은 온도와 수증기의 양에 따라 달라진다고 한다. 눈이 어떻게 생성되는 것일까.