가깝고도먼미지의공간,하늘
과학의눈으로바라볼때,
하늘은더욱높아지고넓어진다!
우리가지상에서올려다보는저하늘은파란색에서저녁이면꼭두서니빛으로물들고,하얀구름이나검은구름이낮은곳부터높은곳까지다양한높이에서나타난다.어떤때는비를뿌리고,강한바람을일으킨다.언제나우리의머리위에끝없이펼쳐져있는공간,하늘.과연우리는하늘에대해얼마나알고있을까?
하늘에대해다루는학문하면흔히대기물리학또는기상학을떠올리곤한다.우리생활과밀접하게연결되어있는기술로는일기예보를들수있다.기상청에서는지금이순간에도시시각각바뀌는하늘의상태를체계적으로관측하여기상이어떻게변해갈지를예상하고있다.
이러한날씨의변화를단지지상에서만관측할수있는것은아니다.지구의표면에는공기가존재하는데,이를대기권이라고한다.우리인간을비롯한생명체가살아갈수있는것은대기권덕분이다.대기권은대류권,성층권,중간권,열권이라는네가지층으로나뉘는데,지상으로부터고도10~16km정도까지가대류권에해당한다.구름과비,안개와눈,바람과낙뢰등다양한날씨의변화는바로이대류권에서나타난다고볼수있다.
상공을가로질러유유히나는비행기를올려다보며누구나한번쯤은이런생각을해보았으리라.길이는60m,무게는200톤에달하는거대한비행기가단지날개가있다는이유만으로어떻게하늘을자유롭게비행할수있는것일까?과학기술분야에서저술활동을펼치고있는사이언스라이터이자소형비행기조종사자격증을지닌저자는,비행기가나는원리는공기의과학적측면에숨어있다고설명한다.강한바람이불때스케치북을평평하게세워서들면앞으로걸어가기어려워지고,살짝비스듬하게눕히면스케치북이위나아래쪽으로마구펄럭인다.이때생겨나는힘을동압이라고하는데,비행기역시이러한동압을잘이용하여하늘을날수있는것이다.비행기는이외에도날개의모양,날개에작용하는와류등여러과학적원리가정밀하게적용된결과물이다.
비행기를타고하늘을난다는것은바람,구름,비와같은기상의변화를몸소느끼는체험이기도하다.하늘의과학원리를한권에담은이책을통해대기의기본과다양한기상현상의원리,그리고비행기에얽힌자세한과학이야기를쉽고재미있게만나보자.그리고책을덮은후하늘을다시금올려다보자.예전과는다른공간이눈앞에펼쳐질것이다.
책속에서
지구주변에는대기의층이존재한다.이높이를100km로볼경우지구의반지름6,378km(적도반지름)에비하면60분의1밖에되지않는다.기상현상이발생하는10km까지는600분의1에불과하다.인류를비롯한지구상의생명체들은바로이대기층에서살아가고있다.대기가존재하는덕분에우리는호흡할수있고,평균기온15℃라는쾌적한환경이유지되며,동시에우주공간이라는혹독한환경으로부터보호를받을수있다.
---「02대기권근방의전리권·자기권·방사선대」중에서
“비행기는어떻게하늘을나는걸까요?”초등학생이나중학생으로부터으레듣는질문이다.어른이라도비행기가어떻게하늘을나는지잘모르는사람이많으리라.확실히보잉787기처럼무게200톤,전체길이가60m나되는거대한비행기가하늘을난다니,생각해보면정말이지신기하다.여기서는공기의과학적인측면을통해비행기가나는원리를알아보고자한다.강한바람이불때,스케치북처럼평평한물체를들고걸어가면바람에밀려날아가게된다.스케치북을향해정면에서바람이불어올경우에는앞으로걸어가기어려워지고,스케치북의방향이바람방향과살짝틀어지면위나아래쪽으로마구펄럭이게된다.이처럼바람이지닌힘이비행기를날려보내는원동력이다.
---「10비행기는공기가없으면날지못한다?」중에서
기압경도력에따라공기의흐름,다시말해바람이발생하고코리올리힘에따라휘어진다.여기에추가로바람에는마찰력이작용한다.지표의건물이바람에저항하면서지표부근에서는바람이약해지고,상공으로올라감에따라강해지다일정고도에서더는마찰의영향을받지않게된다.정확히경계면과동일한원리다.마찰의영향을받는범위는고도500~600m정도까지로,이곳을에크만층이라고부른다.이영역은고도에따른풍속의변화가심하며난기류가많은곳이기도하다.지표에는빌딩등의건물이있기때문에여기에부딪힌바람이소용돌이로변해난기류를일으킨다.또한지형의높고낮음은상승기류와하강기류를생성하는데,둘이충돌하는곳에서도난기류가발생한다.산의경사면에부딪힌바람은상승해서구름을발생시킨다.
---「17바람은어디에서불어오는가」중에서
1654년5월8일,진공에관한역사적인실험이실시되었다.‘마그데부르크의반구’라는실험이다.독일의화학자이자마그데부르크의시장이기도했던게리케는지름약50cm의금속반구두개를붙인후자신이발명한진공펌프로내부의공기를빼내진공상태로만들었다.이두개의반구는양옆에서각각여덟마리의말이잡아당겨서야간신히떨어졌다.이일화에서도알수있듯공기의힘은매우강력하다.기압의변화에따라바람이발생하고때로는강력한에너지를간직한채불어오는폭풍으로돌변하기도하는등,공기의힘은다양한기상의변화를초래한다.
---「24기압이란무엇인가?」중에서
중층·상층의높은하늘에구름이나타나는원인은지상에서의대류가전부는아니다.높은곳에출현하는구름은주로수증기를포함한공기가수평방향에서이류해오면서발생한다.예를들어청명한날씨를불러온고기압의후면,다시말해진행방향의후미에해당하는일본열도에서는남쪽에서올라온습하고따뜻한공기가고기압서쪽으로유입되기때문에고층운을비롯한구름이발생한다.한동안맑은날씨가이어지다높은하늘에옅은구름이걸렸다면슬슬고기압후면에접어들었음을알수있다.
---「35구름은어떻게생겨날까」중에서
시정장애를초래하는기상현상은안개,박무외에도다양하다.연무는연기때문에발생하는현상으로,헤이즈라고도한다.자동차의배기가스,공기중을떠다니는작은모래먼지때문에시정이10km미만으로낮아진상태를말한다.안개와는다르게공기가포화되어있지않아습도가75%이하로건조한경우를일컫는다.연무는산불의연기·공장에서배출되는가스·자동차의배기가스등이에어로졸로변해공기중에떠다니는것이다.초미세먼지등도원인으로작용한다.연무가발생하면시정이극단적으로나빠져항공기의이착륙에큰영향을끼친다.
---「48다양한시정장애현상」중에서
