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대기의 수직 구조에 대한 연구

대기는 수직 온도분포에 따라 여러 층으로 분리되며, 대부분의 기상 현상은 대류권(對流圈)에서 일어난다.

대기권은 다음과 같은 몇 개의 층으로 구분된다.

① 대기경계층은 인간생활과 직접 관련되는 지표층으로 지표의 영향을 많이 받으며, 안정도에 따라 1.5~3㎞의 고도를 가진다. 안정도의 요인으로는 온도경도에 의한 부력 에너지와 바람 시어에 의한 기계 에너지의 비인 리처드슨 수(Ri)를 사용한다.

Ri〈0이면 대기가 불안정하여 난류운동이 우세하고 혼합도가 높아지나, Ri〉0.25이면 대기가 안정하여 선형운동(線形運動)이 강하고 경계층 높이가 낮아진다. 경계층 내의 온도·기압·바람·습도·복사량·구성비 등은 기상탑, 레이더, 광선 레이더, 음향 등으로 관측된다.

② 자유대기와 대류권계면은 경계층 위의 지면의 영향이 적은 층으로 대부분의 구름이 이곳에서 형성된다.

구름은 강제 상승에 의한 냉각으로 발생하는 층운과 불안정 대기의 대류에 의해 발생하는 적운으로 크게 구분되며, 발생 방법과 고도에 따라 10종으로 세분된다. 대류권계면의 상층은 등온(等溫)의 안정층으로 대류권의 기상현상이 위층으로 확산되는 것을 억제한다. 매일 2회의 정기적인 라디오존데 등의 관측과 연속적인 도플러 레이더, 프로파일러, 관측 비행기의 특별 관측에 의해 자유대기층에 대한 관측이 이루어지고 있다.

③ 고층대기는 대류권계면 위의 층으로, 오존의 자외선 흡수로 온도가 상승하는 성층권(成層圈：50㎞), 대류 운동이 일어나는 중간권(中間圈：90㎞), 태양 활동에 따라 500~2,000K의 온도변화가 있는 열권(熱圈：250㎞)으로 구분된다.

또한 구성비가 일정한 균질층(혼합층)과 고도에 따라 달라지는 비균질층, 이온 농도가 커서 전파반사가 일어나는 전리층(이온층), 자기폭풍 현상이 있는 자기권 등으로 구분하기도 한다. 로켓이나 인공위성에 의해 관측이 이루어지므로 대류권 대기에 비해 자료가 많지 않으며 밝혀진 사실도 적다.

대기의 수평 구조에 대한 연구

전지구적 종관(縱觀) 관측과 1960년대 이후의 수치 모델에 의한 연구로 대기의 수평운동과 구조, 물리과정 등이 밝혀졌다.

이심률이 0.016인 타원의 지구 공전궤도와 23.5° 기울어진 자전축 때문에 입사되는 태양 에너지의 양은 위도와 시간에 따라 다르다(→ 태양복사). 연중 무덥고 변화가 적은 열대, 변화가 심한 온대와 한대 지역으로 구분되었고, 불균등한 에너지를 분배하기 위한 흐름과 그 흐름이 수렴되는 극전선과 열대수렴대가 형성되었다.

적도 지역의 열대수렴대에서 상승한 공기는 권계면에서 발산하여 위도 30° 부근에서 하강하며 아열대고압대를 형성해 그 지역에 고온건조한 사막기후를 유발시킨다. 이러한 열역학적 순환을 해들리(Hadley) 순환이라 한다.

북쪽으로 이동한 고온습윤한 공기는 한랭건조한 극기단과 60° 부근에서 만나 극전선을 형성하며, 중위도 저압대를 발달시킨다.

30°부근의 권계면에는 온도의 남북 경도와 지구회전에 의해 강한 서풍인 제트류가 형성된다. 대륙과 해양의 열전도 차와 입사되는 태양 에너지의 계절 변화에 따라 대륙 경계면 지역에 계절풍이 나타나며, 거대한 남북 방향의 산맥에 의해 흐름이 영향을 받는다. 그리하여 중·고위도 지역의 일기는 극고기압과 아열대고기압의 세기, 극전선의 위치, 중위도 저기압의 이동, 계절풍, 지형 등에 따라 달라진다(→ 대기순환).

구름에 대한 연구

수증기가 쉽게 응결하기 위해서는 응결핵이 필요한데, 대기 중에는 많은 응결핵이 존재하여 과포화되기 전에 수적(水滴)이 형성된다.

빙정핵의 수는 적고 －39~0℃의 과냉각 상태에서도 승화되지 않는 경우도 있으나, 그 이하의 온도에서는 모두 승화해 빙정을 형성한다. 0℃ 이상의 온난구름에서는 응결핵에 의한 용액효과, 수적 크기의 곡률효과, 낙하속도 차에 의한 충돌-병합에 의해 100만 개의 수적이 모여 1㎜ 크기의 빗방울로 성장한다. 0℃ 이하의 한랭구름에서는 수적과 빙정의 포화수증기압차에 의한 확산과정과 충돌-병합에 의해 빙정이 성장해 온도에 따라 눈이나 비로 내린다.

이러한 운물리(雲物理) 연구는 실험실의 운실조절이나 비행기의 구름 속 운행을 통한 수적과 빙정의 수집에 의해 이루어진다.

실생활에의 응용

대기과학은 기상예보 및 기상조절에 응용된다.

전지구의 기상관측소에서 관측한 지상 및 표준기압면 자료를 근거로 단기와 중·장기 기상예보를 한다. 12시간 이후의 예보는 비선형 방정식의 수치해(數値解)를 초대형 컴퓨터를 활용해 계산하는 수치 모델을 이용하고, 12시간 이내의 예보는 지상관측, 레이더 및 위성관측 자료 등을 외삽(外揷)하는 방법을 이용한다. 태풍과 라인스콜 등의 중규모계 예보는 감시 체계 자료를 이용해 20㎞ 이내의 미세격자 수치 모델로 예보한다. 인류는 기상예보 외에도 인류에게 이롭게 기상을 조절하기 위해 노력해왔다.

구름 내에 요오드화은을 살포해 빙정핵을 증가시키거나, 드라이 아이스를 살포해 구름 온도를 냉각시킴으로써 강수량을 증가시키고 안개를 소산(消散)시킨다. 또한 뇌우에서는 빙정핵을 증가시킴으로써 빙정크기를 감소시켜 우박의 생성을 억제시키며, 태풍 내에 요오드화은 응결핵을 살포함으로써 조기 약화와 진로 변경 등도 시도하고 있다.

공업화와 산림 훼손으로 CO₂ 양이 증가해 지구 기온이 상승되므로 에어로졸의 수를 증가시켜 기온 상승을 억제하려 하지만 그결과는 아직 확실하지 않다.