항공우주의 영역, 그리고 지구 및 우주 공간의 구분

우주와 관련되어 그 영역에서 작동하는 다양한 기계, 그리고 그와 관련된 모든 시스템을 다루는 항공우주공학은 그들의 최대 관심사인 항공우주 분야를 지표에서 벗어나 공중으로 나는 것부터 시작해 보다 포괄적인 영역을 물리적 특성에 따라 구분 짓습니다.

 

지구와 우주공간의 구분

지구를 기준으로 한 주변의 영역은 우주로 무한히 확장되고, 지구 표면에 바로 접해 있는 곳은 공기로 가득 찬 대기권입니다. 이 대기권은 공기의 밀도가 희박한 곳까지 포함하여 약 2,000km에 달하는 상공까지 존재하는 것으로 추정되며, 대기권을 제외한 그 이외의 공간들은 통틀어 외 공간이라고 불립니다. 그리고 이 외 공간과 지구 표면의 대기권이 합쳐져 하나의 우주공간이라고 칭합니다. 지구와 행성의 관계를 고려해 지구와 인접한 곳을 인접공간이라고 칭합니다. 그 외에도 달까지의 공간, 행성 사이 공간, 태양계 사이 공간, 그리고 태양은 하계 사이의 공간으로 나누어 구분하고 있습니다

 

지구를 중심으로 한 대기권의 구분

미국 공군의 기준에 따른 대기권의 분류는 지상 약 11km 상공 까지를 대류권, 고도 11~50km 상공의 공간을 성층권, 고도 50~80km 상공의 공간을 중간권, 고도 80~300km에 해당하는 상공을 열권이라 규정하고, 그보다 더 높은 고도의 공간은 외기권이라고 칭합니다. 하지만, 국제 민간 항공 기구에서 정한 표준 대기의 기준은 성층권까지만 규정하고 있습니다.

대류권은 대기의 최하층이고 항상 끊임없는 대류가 이루어지는 곳입니다. 이러한 대류로 인해 기상 현상이 지속적으로 나타나며, 그렇기에 이곳을 천후권이라고도 칭합니다. 기상현상이 이루어지는 이 대류권에서 가장 두드러진 것은 구름인데, 모든 구름은 그 모양과 높이가 다르기에 그를 기준으로 구분을 합니다. 대류권의 영역은 극지방을 기준으로 하였을 시 대략 10km 내외이며, 적도 부근을 기준으로 하였을 시 약 18km 내외의 영역을 갖고 있습니다.

 

대류권과 성층권의 경계는 대류권계면이라고 하는데, 바로 이 대류권계면을 기준으로 약 50km의 고도까지는 기온이 점차적으로 상승합니다. 대류권계면 근처에서, 시속 약 100킬로미터의 서풍 속도를 가진 제트기류가 부는 좁은 영역이 발견되었고, 해당 영역은 항공기의 순항에 이용되며 대략 고도 10km의 높이에 위치해 있습니다.

성층권은 더 나아가 하부 성층권과 상부 성층권으로 나뉘어 구분됩니다. 하부 성층권의 등온층은 여름에는 영하 52℃, 겨울에는 영하 58℃ 정도를 갖추고 있으며, 이 등온층의 고도 높이는 대략 10~30km 내외입니다. 이 층에서는 열의 대류가 일어나지 않는 것이 특징입니다. 상부 성층권에서는 오존의 농도가 굉장히 높기 때문에 이를 오존층 이라고도 칭합니다. 상부 성층권에서는 고도가 높아질수록 오존 농도는 점차적으로 낮아져 결국 희박해집니다. 덧붙여 이 오존은 대기가 태양에서 발생되는 방사선을 흡수하며 일어나는 화학반응의 결과물로서 발생되기 때문에 상부 성층권에서의 온도 또한 점차적으로 상승하는 것입니다.

 

고도 50~80km 상공의 해당하는 공간은 중간권으로, 이 공간과 성층권 사이의 표면을 성층권계면이라고 칭하고, 이 표면의 온도는 영상 77°C 정도로 측정됩니다. 그리고 이 중간권은 고도에 따라 온도가 낮아진다는 특징을 갖고 있습니다. 고도 80km 정도의 위치에 존재하는 중간권계면에서는 영하 30°C 안팎의 온도를 가지고 있으며, 해당 경계면 위쪽에 위치한 열권에서 외기권 쪽으로 고도가 점차적으로 높아짐에 따라 온도 또한 서서히 상승하게 됩니다. 고도 80~100km에 해당하는 열권 하층부에서는 영하 30°C 부터 영상 30°C까지 기온이 서서히 오르지만, 그보다 높은 고도로 상승할수록 온도는 700°C 까지도 올라갑니다.

 

열권에는 기체가 이온화됨으로 인해 전리 현상이 일어나게 되는 전리층이 있다는 특징이 있습니다. 해당 전리층은 가장 하단에서부터 D, E, F, G 총 4개의 층으로 구성되어 있습니다. D층과 E층의 높이는 대략 90~130km 정도의 높이에 위치해 있으며, 그중 최 하단부인 D층에서는 전리 현상이 약하게 발생하고, E층에서는 산소와 질소를 이온화시킵니다. 그 위에 위치한 F층은 180~300km 정도의 높이에 위치해 있으며, 55 내지 95m 정도 되는 파장으로 구성된 전파를 반사시킵니다. 그보다 더 높은 최상단에 위치한 G층에서는 기체가 완전하게 이온화됩니다.

 

고도 300km 이상의 대기의 가장 밖에 위치한 최상층을 가리켜 외기권이라 칭하며, 이 공간에서는 외부의 진공으로 공기가 흡수되는 현상이 발생합니다. 공기 입자의 평균적인 자유 운동 거리가 기존 대비 크게 증가하며, 그로 인해 분자 입자 간의 충돌이 사라지게 됩니다. 공기 입자는 지구 중력의 영향을 받지 않고, 매우 큰 타원 궤도나 포물선이나 쌍곡선 궤도를 그리며 지구에서 멀어져 우주 공간으로 이동 및 흡수됩니다. 이 공기 입자는 우주 공간으로 일방적인 이동을 하는 것은 아니며, 우주 공간에서 외기권으로 들어오기도 합니다.

 

국제적으로 지정한 표준 대기의 기준

지구 주변의 대기는 공기라고 하는 혼합물로 이루어져 있으며, 이 혼합물은 질소, 산소, 그리고 희유 기체로 이루어져 있습니다. 또한 이 공기는 해수면에서부터 시작하여 고도 100km까지의 영역까지 거의 일정한 분자량과 비율을 유지하는데, 이 영역을 균질권이라고 칭하며, 공기의 비율은 21%의 산소와 78%의 질소로 구성되어 있습니다.

대기권을 비행하는 항공기의 성능은 주변 대기 환경에 따라 좌우될 수 있습니다. 이 성능에 영향을 주는 환경으로는 대기의 온도 및 압력, 그리고 밀도와 같은 물리적 상태의 양이 있으며, 이러한 물리적 상태량은 위치와 장소, 그리고 고도에 따라 시시각각 달라지기도 합니다. 그렇기에 항공기의 성능을 비교하고자 할 때에는 기준점이 될 수 있는 표준 대기가 필요하게 됩니다. 정확한 성능의 비교를 위한 표준 대기는 범국제적으로 통일화된 같은 기준이어야 하기에, 국제 민간항공기구인 ICAO에서 정한 국제표준 대기를 공통 표준 대기로 정하게 되었습니다.