기상 기후 강의 노트

기후에 대한 정의로 가장 알맞은 것은?

• 특정 지역의 종합적인 날씨상태에 대한 통계적 분석
• 오랜 기간 평균한 날씨
• 기상학의 정의와 동일
• 특정 시간과 국지 지역에 발생하는 날씨

지구상의 담수(fresh water)는 대부분 어디에 저장되는가? 

• 아래 보기 모두 정답
• 인공적인 과정(인간활동)과 자연적인 과정으로 배출된다.
• 구름생성에 기여하기도 한다.
• 기온에도 영향을 미친다.
• 해염입자(sea-salt crystals)가 포함된다.

대기의 기압을 발생시키는 요인은?

• 공기 기둥의 무게
• 지구의 자기장
• 지구의 자전
• 태양 복사
• 달의 중력

다음 중 대류권이 가장 두꺼운 곳은 어디이고, 그 이유는 무엇인가?

• 적도
• 북극권
• 북극
• 남위(북위) 45도
• 남극

고도가 증가함에 따라 대류권, 성층권, 중간권에서의 기온은 각각 어떻게 변하는가?

• 감소, 증가, 감소
• 증가, 감소, 증가
• 증가, 증가, 감소
• 증가, 감소, 변화 없음
• 감소, 증가, 변화 없음

대기 중 가장 많은 양을 차지하는 기체 4 가지 중에서, 지역에 따라 가장 큰 변동성을 보이는 기체는 무엇인가? 그 기체의 가장 중요한 역할은 무엇인가? 

이산화탄소의 주요한 배출원과 흡수원은 무엇인지 설명하고, 지난 100년동안 이산화탄소를 지속적으로 증가시킨 원인 2가지를 서술하시오. 

지표면에서 부터 대기 상단까지 연직 기온 변화를 그래프로 그리시오. 연직 기온 분포로 나뉘어지는 각 층별 이름과 변곡점의 주요 기온값 및 고도를 명시하시오.  또한 균질층과 비균질층을 나누어 표시하시오. 

지구 대기 중 수증기 순환에 대해서 설명하고 기후에 미치는 영향을 서술하시오. 

지구 대기 중 이산화탄소 순환에 대해서 설명하고 기후에 미치는 영향을 서술하시오.

지구 대기 중 오존의 생성과 소멸에 대해서 설명하고 기후에 미치는 영향을 서술하시오.

지구 대기와 지표면간의 에너지 상호작용으로 지구 전체 에너지 수지(균형)가 결정된다. 달 위에서 에너지 수지는 지구와 어떻게 다른 지 서술해 보시오. 

북반구에서 지구와 태양의 거리는 겨울이 여름보다 짧음에도 불구하고 추운 이유를 서술하시오. 

지구로 들어오고 나가는 태양 에너지의 일변화가 기온의 일변화를 어떻게 결정하는지 서술하시오. 

지표면 부근 대기는 어떻게 기온이 상승할 수 있는지 서술하시오. 

이산화탄소는 왜 온실기체라 불리는지 서술하시오. 

수증기를 왜 온실기체라 불리는지 서술하시오. 

강한 대기 역전층을 유발하는 날씨의 조건은 어떤 것들이 있는지 서술하시오. 

지표면에서 3m 고도까지의 연직 기온분포가 일중 시간에 따라 왜 변하는지 도식화하고 서술하시오. 

COVID-19 팬데믹 전후의 부산시 대기질 변화 경향

김O아 (광안중학교 2학년)

유O석 (용수중학교 2학년)

이O원 (센텀중학교 2학년)

정O모 (명호중학교 2학년)

초록

2018~2020년 동안 부산시 SO2, NO2, O3, PM10 월평균 농도를 분석하여, COVID-19 팬데믹 전후 부산시 대기오염 농도 변화를 연구하였다. SO2 농도는 뚜렷이 감소하였고, 산업단지(기장군, 학장동, 녹산동)를 중심으로 부산시 평균 농도보다 높은 경향을 나타내었다. 이는 부산시 산업활동은 팬데믹의 영향이 상대적으로 적었음을 암시한다. NO2와 PM10 농도는 다른 물질에 비해서 변화율이 크지 않았으나 전년도 고농도 보다 낮았다. O3의 미미한 변화는 크게 낮아지지 않은 NO2 농도와 청정대기로 인한 태양복사량 증가 때문이다. 전체 연구기간 동안, 기상요소와의 상관관계를 비교한 결과, SO2, O3, PM10은 풍속과 양의 상관관계를 보였는데, 이는 기상(풍속)보다 배출량의 원인이 더 크기 때문이다. NO2는 풍속과 기온과 음의 상관관계를 보였는데 이는 O3 증가 때문이다. 겨울철 고농도를 보이는 PM10은 중국 배출량의 영향이다.

참고문헌

 

국립환경과학원, 2017; 국가 대기오염물질 배출량

김 등, 2012; 부산 지역 도시대기환경지도를 활용한 대기환경 특성 분석

김 등, 2017; 경유자동차에서 배출되는 NO₂/NOX 비율 특성

김 등, 2013; 부산지역 미세먼지 농도 분포에 따른 기상요소 분석

명 등, 2016; 미세먼지와 건강 장애

박 등, 2008; 서울시 황사미세먼지 특성에 관한 연구

박 등, 2018; 서울지역의 질소산화물(NO, NO₂) 농도 특성과 오존(O3)생성에 미치는 연구

서 등, 2019; 대기오염물질이 환경성질환에 미치는 영향: 수도권 지역의 자치구 및 시·군을 중심으로

오 등, 2010; 인천 지역 초등학교 학생에서 대기 오염물질의 농도와 알레르기 질환 유병률 및 폐기능과의 연관성

이 등, 2005; 부산지역 O3농도의 영향배출원 분포특성)

이 등, 2013; 온산공업단지 주변의 박무와 해풍발생이 대기오염물질의 이동 및 농도

한 등, 1996; 서울시 대기 중 입자상 오염물질의 조성에 관한 연구

한 등, 2016; 여름철 도시 공원의 O₃(O3)와 NO₂ 농도의 일변화 : 기온과 풍속의 영향

Kim et al., 2017: Recent increase of surface paticulate matter conentrations in the Seoul Metropoltan Area, Korea

 

 

 

 

 

 

출처: 식품의약품 안전평가원, “자외선 차단제 바로알고 올바르게 사용하세요＂리플렛

리뷰 Q&A

1. 태양으로부터의 복사 에너지.

2. 지구의 첫 대기(약 46억 년 전)는 수소와 헬륨, 그리고 메탄과 암모니아와 같은 수소 화합물일 가능성이 높다. 두 번째, 더 밀도가 높은 대기는 뜨거운 내부 안에 있는 녹은 암석의 가스가 화산과 증기 분출구를 통해 빠져나가면서 점차 지구를 감싸고 있었다. 우리는 화산이 오늘날과 같은 가스를 내뿜었다고 가정한다: 대부분 수증기 (약 80 퍼센트), 이산화탄소 (약 10 퍼센트), 그리고 몇 퍼센트까지 질소를 내뿜는다. 수백만 년이 흐르면서 뜨거운 내부(배기 가스)에서 끊임없이 분출되는 가스는 구름으로 형성된 수증기를 풍부하게 공급했다. 비는 수천 년 동안 지구에 내렸다. 많은 양의 이산화탄소가 바다에 용해되었다. 대기는 점차 질소(N2)가 풍부해졌다. 오늘날 대기에서 두 번째로 풍부한 가스인 산소(O2)는 태양에서 나오는 에너지 넘치는 광선이 수증기(H2O)를 수소와 산소로 분해하는 과정에서 극도로 느린 농도의 증가를 시작했을 것이다. 수소는 더 가벼웠을 것이고, 산소가 대기에 남아 있는 동안 우주로 올라갔을 것이다. 식물이 진화한 후, 대기 중 산소 함량은 더 빠르게 증가하여, 아마도 약 수억 년 전에 현재의 구성에 도달했을 것이다. 오늘날의 대기는 대부분 78%를 차지하는 질소 분자와 건조 공기의 21%를 차지하는 산소 분자로 이루어져 있으며, 아르곤, 네온, 헬륨, 수소, 크세논은 나머지 1%를 차지한다. 만약 후자의 가스가 제거된다면, 질소와 산소의 비율은 약 80 km (또는 50 mi)의 고도까지 상당히 일정하게 유지된다.

3. 질소, 산소, 아르곤, 수증기

4. 수증기.

5. 오존과 산소는 태양의 해로운 자외선을 걸러내고, 온실가스는 지구를 따뜻하게 유지하며, 대기는 마실 물과 숨을 쉴 산소를 제공한다.

6. 물은 강수량을 형성하고, 잠열을 방출하며, 온실 가스이다. 수증기는 지구의 열-에너지 균형에 매우 중요하다.

7. 이산화탄소는 식생 붕괴, 화산 폭발, 동물 생명의 호기, 그리고 화석 연료의 연소와 삼림 벌채를 통해 대기로 들어간다. 이산화탄소는 광합성, 화학적 풍화, 식물성 플랑크톤의 도움으로 지구 해양으로의 퇴적작용을 통해 제거된다. 화석 연료의 연소와 삼림 벌채로 인해 대기 중 이산화탄소의 양은 지난 100년 이상 동안 증가했다.

8. 흙, 먼지, 바닷물파도의 소금, 산불 연기, 화산재 입자와 가스, 오염물질.

9. 수증기와 이산화탄소.

학생 프로젝트

1. 학생들에게 일일 일기도와 일기 예보를 포함하여 1주일간 블로그나 일기를 쓰게 합니다. 학생들이 실제 날씨와 예측 날씨의 일치에 대해 각 요일에 대한 해설을 하도록 합니다.

2. 학생들에게 매일 날씨 관측, 특히 날씨의 중요한 변화를 기록하게 합니다. 학생들은 이 데이터를 표시하고 관측치를 사용하여 그래프에 주석을 달고, 수업에서 배운 개념을 테스트해 볼 수 있습니다. 학생들은 폭풍우가 몰아치는 날씨가 평균보다 낮은 표면 압력과 실제로 관련이 있는지 여부를 확인하려고 할 수 있습니다.

아래의 물의 상태 변화 중 에너지를 흡수하는 과정 2개는?

• 증발 (evaporation)
• 승화 (sublimation)
• 응결 (condensation)
• 응고 (Freezing)
• 침적 (deposition)

혼합비란?

• 남은 건조공기의 단위 질량에 대한 수증기의 질량
• 전체 대기 조성 기체의 질량에 대한 수증기의 질량
• 총 용량에서 물이 차지하는 비율
• 주어진 공기의 부피에서 수증기의 질량
• 전체 기압에서 수증기가 기여하는 압력의 비

얼마나 많은 수증기를 공기가 포함할 수 있는지를 결정하는 가장 중요한 요소는?

상대습도 100%의 의미는?

다음 중 상대습도가 올라가는 경우는?

맑고 바람이 없는 날, 일출 부터 이른 오후까지 상대습도는 (       )하는 경향이다.

건구 온도와 습구 온도의 차이가 클 경우 날씨 상태는?

습윤 단열감률이 건조 단열감률과 다른 이유는?

• 상승하는 포화된 공기 덩이 속에서 잠열이 방출되기 때문
• 공기가 포화 되면 더 빨리 팽창하기 때문
• 포화된 공기는 항상 불안정하기 때문
• 불포화된 공기는 항상 불안정하기 때문

대기 중 구름이 형성되는 가장 중요한 이유는 _____에 의한 냉각이다.

해수면 근처에 있던 30℃의 공기가 산 경사면을 타고 상승하기 시작하고 이 공기의 이슬점 온도가 10 ℃ 이면 구름이 생성되는 고도는?

• 2000 m
• 2500 m
• 3000 m
• 3500 m

따뜻한 공기가 차가운 공기 위로 떠오르는 현상으로 유발되는 공기의 상승과정을 무엇이라 하는가?

• 전선성
• 지형성
• 대류성
• 수렴성

어떤 공기 층의 안정도는 그 층의 _____을 말한다.

• 원래 위치에서 머무를지 상승할지에 대한 경향성
• 수증기의 질량
• 기압
• 온도
• 밀도

대기의 안정도는 환경 기온감률이 어떨 경우 안정한가?

• 습윤 단열감률보다 작을 때
• 습윤 단열감률보다 크고 건조 단열감률보다 작을 때
• 건조 단열감률보다 클 때
• 습윤 단열감률과 건조 단열감률보다 클 때

고도가 증가함에 따라 기온이 (        )할 때 대기는 가장 불안정하다.

• 급격히 감소
• 일정
• 완만하게 증가
• 급격히 증가
• 완만하게 감소

다음 중 불안정이 증가하는 경우가 아닌 것은?

• 공기 기둥 안에서 일반적인 침강
• 대기 하층의 강한 태양가열
• 공기가 따뜻한 지표면을 지나가면서 아래쪽부터 가열될 경우
• 상승과정으로 공기가 상승하는 경우
• 구름 꼭대기의 복사 냉각

바이오스피어 2(Biosphere 2)

1991년부터 약 2년 동안 미국 애리조나주 오라클(아래 지도)에서 진행된 인공생태계 프로젝트.

격리된 공간을 만들어 태양빛을 제외한 모든 에너지와 물질의 상호작용을 차단시킨 뒤 인공생태계를 제작

8명의 과학자가 거주하며 실험에 참여했으며, 산소부족 현상으로 실패하여 현재는 관광 단지로 이용되고 있음.

바이오스피어 2 내부 시설

https://biosphere2.org/

실험 결과의 전말 

실험 진행 후 얼마 지나지 않아 바이오스피어 2 내부 산소 농도가 ~15%까지 급격하게 감소

이산화탄소 농도는 일반 대기 중 농도의 2~3배로 치솟음.

구조물 자체 결함

콘크리트 구조물이 다량의 산소(~7톤)를 흡수

외부날씨 문제

외부 날씨로 인해 태양 광선 유입량이 적어 식물들이 산소 생산이 충분하지 못했음.

실험 진행 후 얼마 지나지 않아 바이오스피어 2 내부 산소 농도가 ~15%까지 급격하게 감소

이산화탄소 농도는 일반 대기 중 농도의 2~3배로 치솟음.

토양 미생물의 산소 소비

열대 우림지역 토양 속에 포함된 미생물들이 탄소를 이산화탄소로 합성하면서 산소를 많이 소비

유기물 함유량이 많은 토양 내 박테리아의 활동이 왕성하여 탄소--> 이산화탄소 변환 과정에서 산소농도가 감소

그 박테리아들이 내뿜는 이산화탄소로 인해 공기중의 이산화탄소 농도가 급격하게 상승

해양지역 설계 문제

바닷물의 이산화탄소 흡수능력도 너무 작은 규모로 설계되어 적절한 역할을 하지 못하고, 오히려 해양영역에 이산화탄소가 많이 용해되어 물이 산성화 되어 산호들이 녹기 시작하고, 중탄산염을 인위적으로 주입하여 바닷물을 중화시켜야 했다.

악순환 진행

낮 시간에는 식물 광합성으로 인해 산소농도가 회복되다가도 밤이 되면 급격하게 감소함.

식물 광합성만으로는 이산화탄소 농도의 조절이 불가능하게 됨.

이산화탄소 흡수를 촉진하기 위해 심은 나팔꽃은 이상증식을 하면서 다른 식물들의 생장을 저해하기 시작

실험실 내 기후가 변하면서 곤충들이 죽고 불개미 등이 대량 번식

곤충 개체수가 줄어들면서 식물 수정이 어려워짐으로 또다시 이산화탄소 증가를 유발하는 악순환

실험자들 인체 변화

실험자들에게 공급될 식량의 생산도 줄어듦.

실험자들은 영양부족으로 건강악화되고, 심리에도 악영향을 미침. 

바이오스피어 2 실험의 의의

Biosphere 2는 생태계를 인간이 모방/창조하는 것이 상당히 어려운 난제임을 부각시킴.

자연 생태계를 이해하는 지식이 여전히 부족함을 깨달음.

• 바이오 스피어1: 지구 생태계
• 바이오 스피어2: 1991년에 미국 애리조나 주에서 과학자들이 지구 생태계와 격리되도록 만든 또 하나의 생태계

비슷한 실험 - 에덴 프로젝트

https://www.edenproject.com/mission

연직 고층 기상 관측장비인 라디오존데가 플라스틱 쓰레기 논란에 휘말렸다. 

아무리 위성관측과 원격측정 기술이 발전해도 대기 구조를 직접관측하는 유일한 장비인 라디오존데. 

기온이 영하인 고층에서의 방온유지를 위해 스티로폼을 포장재로 사용할 수 밖에 없고, 각 종 센서와 기기판등이 지상으로 낙하되면 쓰레기로 처리될 수 밖에 없다. 

요즘은 바람까지 측정가능한 GPS 기능이 탑재된 레윈존데가 사용된다.

예전에는 주소라도 써서 기상청에서 수거하는 경우가 간혹있었지만, 지금은 바다에 낙하하면 수거 불가능.

전세계에서 연간 1억개의 라디오존데를 띄우고, 약 10억 이상의 예산이 쓰인다. 

매년 85만개 하늘의 플라스틱 쓰레기 라디오존데 (ecoday.kr)

상층 제트 

대류권 상부 또는 권계면 부근의 좁은 영역에 집중된 기류.

북반구에서는 여름보다 겨울에 강하고 위치도 남쪽으로 내려온다.

고층일기도 상에서 2개의 제트가 존재

한대전선제트 또는 극제트 (중위도); 아열대제트 (30도 부근)

하층제트

700 – 850hPa 부근에 나타나는 강풍대로서 풍속과 위치변화가 크다.

수증기의 수송 및 수평발산과 상승역을 만드는 데 중요한 역할을 한다.

호우역은 하층제트의 저기압성 시어 영역에서 풍속이 감소하는 곳에 나타난다.

그림. (좌) 850hPa 최대 풍속지점과 하층제트 축을 기준으로 2개의 호우 구역으로 구분한 모식도 (우) 연직 구조

야간 제트 (Nocturnal jet)

맑은 밤에 발생하는 강풍.

밤에 지표 부근 기온이 떨어지고 역전층이 발생하면, 역전층 내에서는 높이에 따라 기온이 증가하는데 이때 대기 안정도가 높아지고 연직운동이 억제된다.

따라서, 공기는 수평방향으로만 주로 흘러가게 되는데, 이를 야간제트라고 부른다.

경계층 내에서의 바람

경계층 발달의 일변화 

맑고 바람이 약한 대기 상태에서의 경계층의 일변동 (그림16)

주간: 지표 가열에 따른 대류 혼합 경계층(혼합층)이 발달.
일몰 경:  지면이 냉각되기 시작하고, 지표에 안정 경계층(안정층)이 발달.

야간:  안정층은 야간 동안의 지속적인 냉각에 의하여 점차적으로 깊어지고, 이 층 위에 있는 잔여층(Residual Layer)은 주간의 대기 혼합의 잔재. 온위(Constant Potential Temperature)가 중립 프로파일을 보임.

일출 후: 새로운 혼합층이 안정층 아래에서 발달하고, 이어지는 가열에 의하여 더 깊어지며, 안정 상태는 파괴됨.

그림 16. 맑고 바람이 약한 대기 상태에서의 경계층의 일변동. 빗금친 부분은 역학적 난류가 지배적인
지표층(또는 접지 경계층). 

주간의 경계층은 불안정하고, 야간의 경계층은 안정하여 대수법칙 적용 불가능.

지표부근 지표층(접지경계층, 그림 16의 빗금 영역)에서는 역학적 혼합이 지배적이므로, 대수법칙 프로파일 적용가능.

그림 17은 그림 16의 A, B, C 지점에서의 연직 온위 프로파일
흐리거나, 바람이 약하면, 주간의 불안정한 경계층과 야간의 안정한 경계층의 구분이 어렵다. 

강풍에다 흐린 날의 경우, 경계층은 밤낮으로 거의 변하지 않고, 대기의 조건은 중립이 된다.

그림 17. 그림 16의 A, B, C 지점에서의 연직 온위 프로파일. CBL=대류경계층(혼합층),
SBL=안정경계층(안정층), RL=잔여층

출처: 기상청