대기 경계층의 형성 원인

대기 경계층의 형성 원인

대기 경계층의 정의

대기 경계층(Atmospheric Boundary Layer)은 행성 경계층(PBL)이라고도 부르며 지구 표면과 맞닿아 있어 직접적으로 영향을 받는 대류권의 하단층입니다. 경계층이란 물체와 접하는 얇은 유체의 층을 의미하므로 대기 경계층은 즉 지구 표면과 접하는 대기권의 최하층을 뜻하며 이는 약 대기 하부의 약 1~2 km 정도에 위치해있고 경계층 위에는 자유로운 대기가 있습니다. 또한 대기 경계층의 두께는 표면 가열의 강도 및 생물권에서 공기 중으로 증발한 물의 양에 따라 달라지며 일반적으로 표면이 가열될수록 대기 경계층이 깊어집니다. 대기 경계층은 사막에서는 보통 고도 4,000미터에서 5,000미터까지 확장될 수 있으며, 반면에 바다 위에서는 1,000미터 미만의 두께를 가집니다. 이는 물의 수직 혼합으로 인해 표면 난방이 거의 일어나지 않기 때문입니다. 공기가 지역에 유입되고 증발과 증산에 의해 추가되는 물이 많아질수록 대기 경계층 상단의 높이는 낮아집니다. 이 층은 일반적으로 난류이고 정적으로 안정된 공기 층 또는 온도 역전에 의해 덮여있습니다. 대기 경계층의 깊이는 정적으로 매우 안정적인 상황에서 수십 미터에서 사막 위의 대류 조건에서의 수 킬로미터까지 시공간이 다양합니다. 대기 경계층은 육지 위의 날씨가 맑은 동안에는 뚜렷한 일주 주기를 유지합니다. 낮 동안에는 격렬한 난류의 혼합층이 깊숙하게 자라며 간헐적인 난류의 정적으로 안정된 진입 지대에 의해 덮여 깊어집니다. 그리고 일몰이 가까워지면 난류가 붕괴되어 혼합층 대신 잔여층이 남습니다. 야간에는 방사능으로 냉각된 표면과 접촉하여 잔여층의 바닥이 정적으로 안정된 경계층으로 변환됩니다. 대기 경계층의 하위 10%를 표면층이라고 하며, 적란운과 성층운은 습한 대기 경계층의 상단부 내에서 형성될 수 있는 반면 안개는 안정적인 경계층의 하단부에서 형성될 수 있습니다.

 

대기 경계층의 형성 원인

위에서도 말했듯이 지구 표면은 대기 경계층을 형성하는 데에 영향을 주고 있으며, 이외에도 지구 표면이 대기에 영향을 미치는 원인에는 현열 열유속과 수분이 표면에서 대기로 유동하는 수분 흐름과 대기 방사선 등의 세 가지 정도의 주요 요인이 존재합니다. 공기 중에 있는 수증기는 액체 상태의 물의 증발 또는 표면이나 표면 위에 존재하는 얼음의 승화로 생깁니다. 일단 수증기가 대기권에 들어가면 응축되어 공기를 데우고 부력 에너지를 생성하는 에너지를 제공하게 됩니다. 아지랑이는 표면에서 생기거나 혹은 기체 대 입자 변환에 의해 대기에서 만들어진 후 덥고 습한 공기에서 부풀어 오른 작은 입자들입니다. 구름은 에어로졸을 함유한 습한 공기로부터 발생하는데, 이때 에어로졸은 구름을 형성하기에 충분할 때까지 상승하고 냉각됩니다. 응축은 에너지를 방출하여 부력을 만들고 구름이 중립 부력의 수준에 도달할 때까지 상승합니다. 공기가 움직일 수 있는 세 가지 기본적인 방법이 있습니다: 평균 바람, 파도, 그리고 난기류. 여러분은 이미 평균 바람과 그 원인에 대해 배웠지만, 우리는 대부분 자유 대류권의 바람을 다루었습니다. 경계층에서 습기, 열, 운동량의 수송은 수평의 평균 바람과 수직의 난류에 의해 지배됩니다. 난류는 자유 대기의 흐름보다 경계층 흐름에서 훨씬 더 지속되는 부분입니다. 그리고 난류 이동은 우리가 일반적으로 회오리라고 불리는 소용돌이치는 움직임으로 이루어집니다. 이러한 회오리는 다양한 크기로 발생하며, 풍속이라는 각각이 다른 강도를 가지게 됩니다. 난류 스펙트럼을 얻기 위해 난류 강도를 회오리 크기의 함수로 표시하는 것도 가능합니다.