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액체나 기체 등의 유체 운동은 2개 유체의 개개 입자가 매끄러운 유로(流路)를 따라 움직이는 '층류'(層流)와 매우 불규칙하여 일반적으로 2개의 입자가 같은 유로를 지나지 않는 '난류'(亂流)로 크게 분류된다.

가장 일반적인 운동은 난류이며 이 흐름은 특히 지표면 부근의 바람에서 잘 일어나지만 층류 상태에 접근하는 경우가 있다. 자연풍의 난류는 돌풍과 정지의 연속이며 동시에 방향도 제멋대로 변한다. 따라서 풍속과 풍향에 대해 논할 때는 필히 몇 분간에 걸쳐 관측된 자료의 평균을 참고하지 않으면 안된다. 난류의 세기는 시각, 하늘상태, 공기가 지나가는 표면의 성질에 따라 심하게 변화한다. 기상학자들은 보통 바람의 숨으로 난류의 세기를 나타내고 있다. 이것은 일정시간 동안 최대와 최소 풍속차의 절반을 평균속도로 나눈 것이다.

따라서 평균속도가 20㎞/h의 바람은 측정시간 내에서 속도가 15~25㎞/h에서 변화한다고 할 때, 0.25의 바람의 숨을 갖고 있다고 한다. 방향의 진동은 평균풍속의 양쪽으로 15°정도이지만 이 상태도 상당히 변화한다.

기상학에서 난류의 중요성은 이것이 대기를 휘저어 충분히 혼합시키는 요인이라는 점에 있다. 즉 난류는 수증기, 연기, 가벼운 입자를 확산시키는 주요한 원인이 된다. 육지나 바다에서 물의 증발과 수문학상의 순환은 난류에 크게 의존하고 있다. 난류는 보통 소용돌이라 부르며, 한 곳에서 다른 곳으로 변해가는 여러 가지 크기의 공기 덩어리의 불규칙한 운동으로 묘사되고 있다.

이 점에서 난류는 분자의 끊임없는 운동으로 확산이 일어나는 분자 확산과 유사하지만 소용돌이 확산은 분자 확산에 비해 훨씬 대규모적이고 또다른 방법으로 행해진다. 그결과 난류에 의해 나타나는 확산의 수학적 이론은 매우 복잡하여 분자 확산보다도 정확도가 떨어진다. 특히 명확한 확산률을 갖는 대기에 대해 말하기는 불가능하다. 이에 대한 많은 시도가 이루어졌지만 분자 확산에 쓰이는 잘 알려진 확산계수에 대응하는 단순한 양을 대기 중의 확산과 관련시키는 것은 불가능하다.

지표면에서 높이 약 100m 이내의 하층대기에서 바람의 난류는 보통 뚜렷한 일변화를 나타낸다.

예를 들어 하늘이 맑으면 난류는 정오경에 극대에 달한다. 이것은 지표면이 태양광선으로 가열되어 더워진 공기가 연속적으로 상승하여 상부의 찬 공기와 대치되기 때문이다. 이 연직운동은 고도가 증가하면서 온도가 내려가는 불안정한 대기에서 강하며 나무·가옥·언덕과 같은 장애물에 의해 생기는 바람의 요란도 가해져 전 운동을 매우 불규칙하게 만든다. 확산은 불안정도가 심할수록 강하여 인가(人家)나 공장의 굴뚝에서 나오는 연기는 급속히 확산된다.

일몰 후 지면은 장파복사에 의해 상공으로 열을 복사하기 때문에 급속히 냉각된다. 그결과 지표면 부근의 기층은 앞에서 말한 기층보다 훨씬 농밀하게 되어 기온은 고도에 따라 증가한다. 이 상태는 역전(逆轉)으로 알려져 있다. 이와 같은 역전현상은 안정도를 증가시키므로 바람의 속력과 바람의 숨은 급속히 감소된다.

공기의 운동은 층류상태에 가까워져 확산에 현저한 영향을 끼친다. 이러한 난류의 일변화는 연기를 관측하면 잘 알 수 있다. 정오경의 연기는 바람의 활발한 난류 때문에 모든 방향으로 흩어져 가나 일몰 이후는 주위 대기와 거의 또는 전혀 혼합되지 않고 한데 모여 덩어리가 되어 흐른다. 연기의 농도, 즉 공기의 단위 부피당 연기의 양은 맑은 날 밤에서 동틀녘까지 역전이 지속되는 동안 상당히 증가한다. 흐린 날 공기의 난류는 한낮이나 밤이나 같은 상태를 유지한다.

그 이유는 구름층이 한낮에는 태양복사의 세기를 감소시키고 밤에는 열이 지표면으로부터 상공으로 빠져나가는 것을 막는 덮개역할을 하기 때문이다. 앞에서 말한 것과 같은 역전현상은 맑은 날 밤에는 항상 일어나는데 보통 지표면 부근에서 매우 얇은 층으로 나타난다. 그러나 때때로 역전은 지표면상 300m 정도 고도까지 퍼져 나타나기도 한다.

이와 같은 대규모 역전은 보통 고기압 내에서 공기가 서서히 침강하여 생긴다. 역전이 생기면 특히 겨울철에는 대기의 자연 환기가 충분히 이루어지지 않기 때문에 연기로 오염된 안개(스모그)가 만들어질 가능성이 크다. 이와 같은 스모그의 현저한 예는 1952년 12월 런던에서 발생한 것이다. 이때문에 기관지염 등의 호흡기병으로 4,000명 이상의 사망자가 생긴 것으로 추정되었다. 그밖에 오염에 의한 호흡기 유행병의 예로는 1948년 펜실베이니아 주의 도노라와 벨기에의 메즈 골짜기에서 발생한 것을 들 수 있다.

따라서 난류는 이와 같은 현상이 발생하는 것을 막는 바람의 주요한 성질이며 난류에 의한 혼합이 일어나지 않는다면 대도시의 생활은 매우 어렵게 될 것이다.

지표면 부근의 난류에 대한 자세한 연구에 의하면 속도는 1/10~1분의 주기로 진동하며 바람의 숨은 지표면 지형에 따라 크게 달라진다. 어느 순간의 전속도(全速度)와 평균속도와의 차를 '소용돌이 속도'라 한다. 이것은 바람의 평균방향과 그것에 직각인 수평방향 및 연직방향의 성분을 갖는다.

또한 난류는 주로 대기의 내부 마찰에 의해 생긴다. 모든 공기의 운동(바람)은 수평방향의 압력차에 의해 발생하며, 대기 하층에서 바람의 속도는 지면의 마찰에 의해 상당히 감소된다. 이 마찰효과는 난류에 의해 위쪽으로 퍼진다. 바람 내의 소용돌이는 지표면 부근의 속도가 느린 공기와 상부의 속도가 빠른 공기의 혼합을 일으켜 속도차를 완화시킨다. 그결과 평탄한 지역에서 바람의 속도는 지표면에서 상부로 갈수록 서서히 증가하여 약 600m 상공에서는 마찰의 영향이 거의 없는 바람이 불게 된다.

이러한 변화가 일어나고 있는 공기층을 '마찰층'이라 부른다.

지표면 부근에서는 평균풍향과 직각인 소용돌이의 속도 성분이 다른 성분보다 상당히 크나, 약 30m 이상의 고도에서는 3성분이 모두 같게 된다. 마찰층 내의 소용돌이에 의해 지표면으로부터 상층으로 열이 수송되는 것에 관한 문제도 상당히 주목되고 있다. 대기오염에 있어, 공장 굴뚝에서 나오는 연기의 지표면 농도는 굴뚝 높이의 제곱에 반비례하여 변화한다는 것이 알려져 있다.

즉 굴뚝의 높이가 30m에서 60m가 되면 지표면의 연기농도는 1/4로 감소하게 된다. 따라서 유독한 연기를 가능한 한 높은 곳에서 방출하는 것은 매우 유익하다. 생명활동이 가장 풍부한 곳, 즉 지상 100m 이내 대기의 난류에 대한 연구는 미기상학(黴氣象學)이라 부르는 과학의 한 분야에서 다루어지고 있다. 평야지역의 600m 정도 상공에서는 바람에 미치는 지표면의 마찰효과가 크게 감소하며 하층 대기의 소규모 난류 특성은 대부분 소멸된다.

그러나 상층풍은 지표면 부근의 바람에 비해 훨씬 소용돌이가 적다고는 하지만 때때로 항공기에 영향을 미칠 수 있을 정도의 난류를 나타내는 경우도 있다. 지표면이 강하게 가열되고 습도가 높은 기상 조건에서는 대류운동이 일어나 상당한 높이까지 발달하는 적운이 형성된다. 일반적으로 이와 같은 구름 부근은 매우 불안정하여 기체(機體)가 심하게 흔들린다. 이러한 흔들림은 뇌운 중에서 가장 심하며 30㎧에 달하는 상승류가 측정되기도 한다. 또한 뇌운의 내부는 매우 강한 난류의 영역이다. 이와 같이 혼란한 대기 내를 비행하는 항공기는 연직 방향의 가속도를 받아 안전띠를 하지 않은 승객은 좌석에서 이탈하게 되는 일이 있다.

최근에는 간단히 예측하기 어려운 다른 종류의 난류가 매우 높은 고도를 비행하는 고속항공기의 출현으로 문제가 되고 있다.

이것은 '청천난류'(晴天亂流)라 하며 고층 대기에서만 나타나는 현상이다. 대부분의 경우 그 영향으로 항공기에 타고 있는 사람은 자갈길을 딱딱한 타이어의 차가 지나가는 것 같은 느낌을 받는다. 때로 청천난류는 특히 빠른 속도로 비행하는 비행기의 구조에 변형을 일으킬 수 있을 정도의 힘을 갖는 경우도 있다. 이런 종류의 난류는 때때로 대류권 상부의 권계면 부근에서 좁은 띠 모양으로 불고 있는 제트류 주위에서 볼 수 있다.

그러나 어떻게 하여 이와 같이 높은 곳의 바람이 심하게 혼란되어 있는가에 대해서는 아직 상세하게 알려져 있지 않다.