빅뱅에서 인류까지 45 대기-기권(氣圈) ②-①

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지금의 지구대기는 질소(대기 부피의 78%), 산소(21%), 아르곤(0.93%), 이산화탄소(0.04%) 등으로 이루어져 있다. 하지만 초기 지구의 대기 구성은 지금과 완전히 달랐다. 앞서 이야기했듯 수소, 헬륨, 메탄, 암모니아 등으로 구성되어 있던 원시 지구의 1차 대기는 일찍이 태양계의 바깥쪽으로 밀려가 버렸고, 2차 대기인 수증기와 이산화탄소 그리고 질소, 염소, 황 등이 그 자리를 대신하고 있을 뿐이었다.

하지만 시간이 흐르면서, 수증기를 제외한 당시 지구 대기의 80퍼센트를 차지하던 이산화탄소는 바닷물에 용해되거나 화학반응을 통해 석회암으로 변화하면서 양이 점차 줄어들었다, 그러던 중 약 35억 년 전에 이르러 시아노박테리아(cyanobacteria, 남세균-藍細菌-의 일종)가 출현하면서 광합성의 부산물로 이산화탄소는 줄어들고 산소가 생겨나기 시작했다. 24억 년 전 무렵에 이르러선 이른바 ‘산소급증사건(Great Oxidation Event)’을 겪으면서 산소가 급격히 증가하게 되고, 반면 이산화탄소의 양은 현저히 줄어들게 된다. 광합성을 하는 생물류가 대량으로 번성하면서 엄청난 양의 산소가 발생하였기 때문인 것으로 보인다. 다만 그 무렵 어떤 메커니즘으로 산소가 급격하게 증가하게 되었는지에 대해선 아직까지도 정확한 이유를 알 수 없는 상황이다. 광합성에 따른 결과라는 주장은 주요 가설로만 인정받고 있을 따름이다. 그럼에도 불구하고 24억 년 전경 일어난 산소급증사건은 분명한 사실로 여겨지고 있다. 24억 년 전에 형성된 걸로 보이는 지층에서 산소와 결합하여야만 생성되는 각종 화합물과 암석들이 대량으로 발견되고 있어서다.

대기의 78퍼센트에 이르는 많은 양을 차지하고 있는 질소의 경우 또한, 이것들이 어디서 왔으며 어떻게 생성되었는지에 대해서 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있다. 다만 질소는 다른 기체들에 비해 비활성(다른 원자나 분자들과 잘 결합하지 않는 것) 성향이 강해, 지구 생성 초기의 2차 대기 구성 당시 발생한 질소가 그대로 남게 되었을 거라며 조심스레 추측하고 있다.

지구의 대기는 산소급증사건 이후에도 몇 차례의 다양한 사건(event)들을 겪으며 점차 지금의 모습을 갖추어 왔다.

이렇게 생성된 대기는 지구의 4대 권역 중 기권을 형성하게 되는데, 마치 지각이 다양한 층위의 적층구조를 가지고 있듯, 이렇게 생성된 대기 또한 층구조를 띠고 있다. 지구의 표면에서 시작해 약 500킬로미터가 넘는 높이까지 기권을 형성하고 있는 대기도 대류권, 성층권, 중간권, 열권의 4개 기층을 이루고 있다.

대류권은 기권 중 가장 낮은 곳에 위치하고 있는 기층이다. 지금 우리가 숨을 쉬고 있는 바로 이곳이기도 하고, 바람이 불고 비가 오는, 번개가 내려치며 온갖 기상 현상이 일어나는 곳이기도 하다. 대류권은, 지표의 복사열에 의해 데워진 공기가 위로 상승했다가, 높은 곳에서 다시 차가워지며* 아래로 하강하기를 반복하면서 대류하기 때문에 대류권이라 이름 붙여졌다. 그 대류 과정에 당연히 온갖 기상 현상이 일어난다. 대류권의 공기는 전체 대기의 약 80퍼센트에 이르는 질량을 차지하고 있다.

[*지표면에서 높아질수록 지구 표면의 복사열이 줄어들기 때문에 온도가 내려간다.]

대류권의 바로 위는 성층권이 위치하고 있다. 높이가 50킬로미터 정도에 이르는 성층권에서는 대류권과는 반대로 높이 올라갈수록 온도가 올라간다. 성층권을 구성하고 있는 오존(ozone, O3)이 태양의 복사에너지를 직접 흡수하기 때문인데, 상층부의 오존이 더욱 많은 에너지를 흡수하고 있어 높은 곳일수록 온도가 높다. 성층권에서는 온도가 높은 공기가 자연스레 상층부에 위치하고 있기 때문에 대류가 일어나지 않는다. 따라서 기층이 매우 안정적인 상태를 유지하고 있다. 이런 이유로 장거리 비행의 항공 경로로 이용되는 기층이기도 하다.

성층권 위로는 중간권이 위치하고 있다. 50킬로미터 높이에서부터 80~90킬로미터 구간에 이르는 기층이다. 중간권에서는 다시 상층부로 올라갈수록 대류권과 같은 이유로 온도가 내려간다. 따라서 대류 현상이 일어나기도 하는데, 대류권에서와 같은 격렬한 대류나 기상 현상이 일어나지는 않는다.

끝으로 대기의 맨 상층부에는 열권이 자리하고 있다. 중간권과의 경계 지점인 90킬로미터 지점에서부터 500~1,000킬로미터 지점까지를 열권으로 보는데, 열권에서부터는 이미 공기의 밀도가 너무 낮아 적은 열로도 온도가 상승한다. 상층부로 올라갈수록 온도가 올라가 최상층부에서는 온도가 1,500도에 이르기도 한다. 이는 열권에 위치하고 있는 질소와 산소의 분자들이 태양으로부터 오는 엑스선과 감마선의 에너지를 흡수하기 때문이다. 또 그 과정에 질소와 산소의 분자들이 이온화하면서 태양으로부터 불어오는 태양풍과 결합하기도 한다. 이는 오로라의 발생을 의미하는데, 우리가 극지방에서 볼 수 있는 오로라는 극지방 대기의 열권에서 발생하는 현상이다.

열권의 바깥쪽에도 외기권이라 불리는 기층이 하나 더 존재하고 있다. 하지만 외기권의 경우 공기가 너무나 희박해서 사실상 대기로서의 특별한 의미를 두지 않고 있다.

그리고 실체적 구조물로서 대기를 분류하는 것 외에, 인위적인 기준으로 설정한 대기 구분선이 있다. 카르만선(Kármán line)이라 불리는 경계선이다. 카르만선은 지구의 대기와 우주공간을 인위적으로 구분하기 위한 것으로, 20세기 후반에 이르러 지구 대기 내에서의 항공비행과 지구 밖으로의 우주비행이 급증하면서 ‘지구와 우주의 경계’에 대한 개념 정립이 필요해졌다. 이에 따라 국제항공연맹(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)에서 지구 평균해수면의 100킬로미터 상공 지점을 카르만선이라 정의했다. 이 정의에 따르면 지구 상공 100킬로미터 지점부터는 우주 공간이 되는 셈이다. 카르만선이라는 이름은 헝가리계 미국 물리학자인 시어도어 폰 카르만(Theodore Von Kármán, 1881~1963, 미국)의 이름에서 따온 것이다.

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