12.1. Introduction
대류성 구름과 강수는 층운형 구름과 강수와는 확연히 다른 비행 환경을 나타냅니다. 이런 극명하고 대조적인 상태는 공기 덩이의 수직 운동을 방해하거나 가속화하는 대기에서 비롯됩니다. 대기의 안정성은 공기 덩이의 수직 운동을 증가시키거나 억제하고 조종사가 마주칠 구름과 강수의 유형을 결정하는 주변 공기의 특성입니다.
12.2. Using a Parcel as a Tool to Evaluate Stability
*공기 덩이는 대기에서 공기의 특정 수직 공간 내에서 대기의 안정성을 평가하는 도구로써 사용될 수 있습니다. 어떠한 고도(일반적으로 지표면)에서 공기 덩이를 선택하고 특정 테스트 고도까지 가정하여 위로 상승시킵니다. 공기 덩이가 상승하면서, 공기 덩이의 온도는 팽창과 잠열의 영향으로 인해 감소하게 됩니다.
공기 덩이와 주변 환경 공기의 온도를 비교해볼 때 만약 상승한 공기 덩이가 주변 공기보다 차가우면, 공기 덩이는 더욱 밀도가 높을 (무거울) 것이고 원래의 고도로 다시 가라앉을 것입니다. 이런 경우, 공기 덩이는 위로 상승하려는 움직임에 저항되기 때문에 안정적입니다. 만약 들어 올려진 공기 덩이가 주변 공기와 같은 온도라면, 공기 덩이는 주변 공기와 동일한 밀도와 함께 같은 고도에 머무르게 될 것입니다. 이런 경우, 공기 덩이는 중립적으로 안정적일 것입니다. 만약 들어 올려진 공기 덩이가 주변 공기보다 더 따뜻해서 밀도가 낮은 경우라면, 공기 덩이는 주변 환경과 같은 온도에 도달할 때까지 계속 스스로 상승할 것입니다. 이 마지막 경우는 불안정한 공기 덩이의 예입니다. 온도 차이가 클수록 수직 운동의 비율(rate of vertical motion)이 커집니다.
12.3. Stability Types
대기 중 기층(column of air, 공기 기둥)에서의 안정성은 기층 내 공기 덩이 안정성 분포에 의해 분류됩니다. 기층의 깊이를 결정할 때 맨 아래 부분으로써 일반적으로 지구의 표면이 선택됩니다. 대기 안정성에 대한 5가지 고유한 유형을 확인해보겠습니다.
12.3.1. Absolute Stability
*절대 안정은 기층의 기온 감률이 습윤 단열 감률보다 작을 때의 상태입니다. 여기에는 등온 및 반전(뒤집힘) 온도 프로파일 (isothermal and inversion temperature profiles) 모두 포함됩니다. 위로 상승한 공기 덩이는 주변 환경의 공기보다 차갑고 (밀도가 높고) 원래 초기 공기 덩이의 고도로 가라앉으려는 경향이 있습니다.
12.3.2. Neutral Stability
*중립 안정은 상승 (또는 하강)하는 공기 덩이가 항상 주변 환경의 공기와 동일한 온도(밀도)를 갖는 대기 중의 기층 상태입니다. 만약 기층이 불포화 상태라면, 중립 안정은 건조 단열 감률과 기온 감률이 같을 때 존재하고, 만약 기층이 포화 상태라면, 중립 안정은 습윤 단열 감률과 기온 감률이 같을 때 존재하게 됩니다.
12.3.3. Absolute Instability
*절대 불안정은 *과단열 기온 감률(superadiabatic lapse rate of temperature, 건조 단열 감률보다 더 큰 변화를 가지는 감률)을 갖는 대기 중 기층의 상태를 말합니다. 수직적으로 변위 된 공기 덩이는 변위 방향으로 가속됩니다. 공기 덩이의 원래의 고도로부터 거리가 증가함(멀어짐)에 따라 결과적으로 운동 에너지가 증가할 것입니다.
12.3.4. Conditional Instability
*조건부 불안정은 기온 감률이 건조 단열 감률보다는 작지만 습윤 단열 감률보다 클 때 대기 중 불포화 상태인 기층의 상태를 말합니다. 위로 상승한 공기 덩이는 처음에는 안정적이지만, *상승 응결 고도 위 어느 지점에서 불안정해집니다. '조건부'라는 것은 공기 덩이가 불안정해지고 자체 부력으로 인해 상승하기 전에 특정 고도로 상승해야 함을 의미합니다. *LFC(The Level of Free Convection)는 대기에서 조건적으로 불안정한 기층이 공기 덩이가 주변 환경의 공기보다 먼저 따뜻해진 후에 포화 상태가 되고 습윤 단열적으로 될 때까지 건조 단열적으로 상승하게 되는 고도입니다. LFC는 조건적으로 불안정한 기층의 특징을 정의하는 것입니다.
12.3.5. Summary of Stability Types
아래의 [Figure 12-5]는 있을 수 있는 대기 안정 유형을 요약한 것입니다.
- 공기 덩이 (air parcel) : https://jicho9597.tistory.com/127 참조.
- 절대 안정 (absolute stability) : 기층의 기온감률이 주변 공기의 습윤 단열 감률보다 작은 상태.
- 반전(뒤집힘) 온도 (inversion temperature) : 압축된 기체가 단열된 상황에서 다공성 매질을 통과할 때 나타나는 현상으로, 보일의 법칙으로부터 벗어나는 온도 상승과 줄의 법칙으로부터 벗어나는 온도 하강이 균형을 이룰 때의 온도.
- 중립 안정 (neutral stability) : 기온감률이 건조 단열 감률 혹은 습윤 단열 감률과 동일한 경우의 대기 상태.
- 절대 불안정 (absolute instability) : 대기의 기온 감률이 건조 공기의 단열 감률보다 큰 상태. 어떤 공기 덩이가 연직 방향으로 상승 또는 하강하였을 때, 그 공기의 포화 여부에 관계없이 상승 또는 하강을 지속할 수 있는 대기 상태.
- 과단열 기온 감률 (superadiabatic lapse rate of temperature) : 건조 단열 감률보다 감률이 상대적으로 큰 공기 상태. 매우 불안정한 층.
- 조건부 불안정 (conditional instability) : 기층(공기 기둥)의 기온 감률이 건조 단열 감률보다 작으며, 습윤 단열 감률보다는 큰 상태
- 상승 응결 고도 (The Lifting Condensation Level) : https://jicho9597.tistory.com/160 참조
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 12-1~6 해석