지구는 공기로 둘러싸여 있기 때문에 비, 바람 같은 기상 변화가 일어난다. 이 공기 때문에 사람을 비롯한 동물과 식물이 지구에서 살 수 있다. 뿐만 아니라 공기 때문에 새와 비행기도 하늘을 날 수 있다.
그러면 지상에서 어느 높이까지 공기가 있는 걸까?
옛날 사람들은 태양까지 공기가 있고, 높이 오르면 오를수록 태양 때문에 뜨거워진다고 생각했다. 하지만 세계에서 가장 높다는 8848m인 에베레스트산에 올라가는 등산가들은 산소마스크를 착용한다.
그래서 과학자들은 공기가 어디까지 있는지, 그리고 높이 올라갈수록 온도가 어떻게 달라지는지 궁금해했다. 공기가 얼마나 밀집돼 있는지는 공기 기압을 측정해 보면 알 수 있다.
그래서 1890년대에 들어서 많은 기상학자들이 풍선을 이용해서 하늘로 올라갈수록 온도와 기압이 어떻게 변하는지를 측정했다. 측정 결과, 하늘로 올라갈수록 온도가 계속 낮아지는 것이 아니라 어느 정도 높아지면 일정해진다는 것도 알게 됐다.
이후, 과학 기술과 로켓이 발달하면서 더 높은 곳까지 온도와 압력을 측정해 4개 층으로 된 대기층을 발견했다.
대기층을 순서대로 보면 지면에서 12㎞ 정도까지 이르는 대류권이 있고, 12~45㎞ 정도까지는 성층권, 45~80㎞ 정도까지는 중간권, 그리고 80㎞ 이상인 곳을 열권이라고 한다.
공기의 압력이나 공기의 밀도는 올라갈수록 빠르게 낮아진다. 이 중에서 대류권은 우리가 숨을 쉬고 생명체가 살고 있는 곳으로 전체 공기의 85% 이상이 몰려 있는 곳이다.
지구상에 일어나는 모든 기상의 변화도 주로 이곳에서 일어나고 100m 올라갈수록 0.6도씩 온도가 낮아진다. 이렇게 온도가 낮아지다가 온도가 일정하게 되는 층이 있는데 이를 권계면이라 하고 그 위를 성층권이라 한다.
성층권 위에 있는 열권인 80㎞ 이상의 높은 곳에는 거의 진공에 가까울 정도로 공기가 희박하고 태양에서 온 입자 등이 존재하고 있다.
따라서, 열권에서 인공위성이 지구 주위를 공전하게 되면 공기가 희박해 태양의 위치에 따라 극심한 온도 변화를 겪게 되고 중성입자와 이온화된 입자 등과의 마찰에 의해서 서서히 고도가 감소하게 된다.
예를 들어, 685㎞ 상공에 있는 아리랑위성은 하루에 지구 주위를 14바퀴 반을 공전하면서 태양을 바라보거나 지구의 그림자에 숨는 위치에 따라 수십 차례 극심한 온도변화를 겪게 되고 약 2m씩 고도가 떨어진다.
이러한 열권에서 인공위성이 정상적으로 작동하기 위해서는 인공위성의 온도변화를 최소화할 수 있도록 다층박막단열재 등 인공위성을 보호할 수 있는 특별한 재질의 옷을 입히고 거울을 붙이는 등 일정한 온도를 유지해야 할 뿐 아니라 고도도 조정해야 한다.
하루에 조금씩 떨어지는 고도지만, 이 값이 누적돼 위성의 임무 활동에 지장을 줄 수 있으므로 인공위성의 연료를 사용해 원래 높이로 다시 높여주어야 한다.
이용복 서울교대 과학교육과 교수 <한국항공우주연구원 자료 제공>
true@fnnews.com 김아름 기자
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