대기의 연직 구조 — 성층권은 왜 위로 갈수록 따뜻할까

높은 산에 오르면 공기가 차가워집니다. 해에 조금 더 가까워졌는데도 그렇습니다. 그렇다면 더 높이, 비행기보다 높이 올라가면 계속 추워질까요? 그렇지 않습니다. 높이 11 km 를 넘어 성층권에 들어서면 이번에는 위로 갈수록 기온이 올라갑니다. 대기는 높이에 따라 기온이 오르내리는 방식이 바뀌고, 그 방식으로 네 층을 나눕니다. 이것이 대기의 연직 구조입니다.

기온으로 나눈 네 층

지표에서 위로 올라가며 기온이 내려가는 층과 올라가는 층이 번갈아 나옵니다. 아래부터 대류권 · 성층권 · 중간권 · 열권입니다. 층과 층의 경계면에는 각각 대류권 계면, 성층권 계면, 중간권 계면이라는 이름이 붙습니다.

• 대류권(지표 ~ 11 km). 위로 갈수록 기온이 1 km 에 6.5 °C 씩 내려갑니다. 공기와 수증기 대부분이 여기 있어 구름·비·눈이 모두 이 층의 일입니다.
• 성층권(11 ~ 50 km). 위로 갈수록 기온이 올라갑니다. 높이 20 ~ 30 km 에 오존이 많은 오존층이 있습니다.
• 중간권(50 ~ 80 km). 다시 위로 갈수록 기온이 내려가, 꼭대기인 중간권 계면이 대기에서 가장 춥습니다. 유성이 타는 곳입니다.
• 열권(80 km 위). 위로 갈수록 기온이 크게 올라갑니다. 공기가 아주 희박하고, 오로라가 나타납니다.

대류권과 중간권 — 대류가 일어나는 층

아래가 따뜻하고 위가 차가우면 따뜻한 공기가 가벼워 올라가고 찬 공기가 내려옵니다. 공기가 위아래로 뒤섞이는 대류가 일어나는, 불안정한 상태입니다(대류). 기온이 위로 갈수록 내려가는 대류권과 중간권이 그렇습니다.

대류권은 지표가 햇빛을 받아 데워지고, 그 열이 아래에서부터 공기를 데우기 때문에 아래가 따뜻합니다. 여기에 수증기까지 있으니 올라간 공기에서 구름이 생기고 비가 옵니다. 중간권에서도 대류는 일어나지만 수증기가 거의 없어 기상 현상은 나타나지 않습니다.

성층권은 왜 위가 따뜻할까 — 오존층

성층권을 데우는 것은 오존입니다. 오존은 햇빛 속의 자외선을 흡수하고, 흡수한 에너지로 주위의 공기를 데웁니다. 햇빛은 위에서 들어오므로 성층권의 위쪽 공기가 자외선을 먼저, 많이 받습니다. 아래로 내려갈수록 남은 자외선이 줄어 데워지는 양도 줄어듭니다.

그래서 오존이 가장 많은 높이는 20 ~ 30 km 인데, 기온이 가장 높은 곳은 그보다 위인 성층권 계면(50 km) 부근입니다. 위가 따뜻하고 아래가 차가우니 공기가 뒤섞이지 않는 안정한 층입니다. 비행기가 구름 위의 성층권 아래쪽을 즐겨 나는 것도 흔들림이 적기 때문입니다. 층 이름의 "성층(층을 이룬)" 도 공기가 섞이지 않고 층을 이루고 있다는 뜻입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 높이에 따른 기온. 대류권 하강 · 성층권 상승 · 중간권 하강 · 열권 상승.
• 대류. 대류권·중간권은 일어남(불안정), 성층권은 일어나지 않음(안정).
• 기상 현상. 대류권에서만. 중간권은 대류가 있어도 수증기가 없어 기상 현상이 없습니다.
• 성층권이 따뜻해지는 까닭. 오존층의 자외선 흡수.
• 가장 추운 곳. 중간권 계면. 열권은 공기가 희박하고 낮과 밤의 기온 차가 크다.
• 대류권 계면의 높이. 지표가 뜨거워 대류가 활발한 저위도에서 높고 고위도에서 낮습니다.

자주 헷갈리는 것

• "오존층이 있는 높이가 가장 따뜻하다" — 오존은 20 ~ 30 km 에 가장 많지만, 자외선을 먼저 받는 성층권 위쪽이 더 따뜻합니다. 기온은 50 km 부근까지 계속 오릅니다.
• "중간권에도 대류가 있으니 구름과 비가 생긴다" — 대류는 있지만 수증기가 없습니다. 기상 현상은 대류권의 일입니다.
• "열권은 기온이 높으니 뜨겁다" — 공기 입자 하나하나는 빠르게 움직이지만 입자가 워낙 적어서, 사람이 느끼는 열은 거의 없습니다.

정리합니다. 대기는 높이에 따라 기온이 내려가고 오르기를 되풀이하며, 그 방식으로 대류권·성층권·중간권·열권을 나눕니다. 성층권은 오존층이 자외선을 흡수해 위쪽부터 데워지므로 위가 따뜻한 안정한 층이 됩니다. 기온이 위로 갈수록 내려가는 대류권과 중간권에서는 대류가 일어나고, 수증기가 있는 대류권에서만 기상 현상이 나타납니다.

그림 참고: [NOAA National Weather Service, JetStream — Layers of the Atmosphere](https://www.weather.gov/jetstream/layers) 의 도해 구도를 따라 다시 그렸습니다.