5.1. Introduction
대기압은 대기의 상태를 설명하는 데 사용되는 가장 기본적인 변수 중 하나이며 기상 관측에서 흔히 보고됩니다. 온도와 상대 습도와는 다르게, 대기압의 변화는 사람들에 의해 쉽게 감지되지 않습니다. 그러나, 지구의 압력 변화는 바람을 일으키는 압력 중심(고기압 또는 저기압의 중심)과 연관되어 있고 중요한 날씨 변화를 가져올 수 있습니다. 압력과 직접적으로 관련된 밀도는 조종사들이 다양한 고도에서 항공기가 어떻게 운항될지를 결정하는 데 도움을 주는 사용할 수 있는 대기의 특성입니다.
이 챕터는 대기압이 어떻게 측정되는지, 그리고 지구에 걸쳐 어떻게 변화하는지 이야기를 할 것입니다. 또한 조종사가 고도를 결정하기 위해 사용하는 압력 센서인 고도계(altimeter)에 대해서도 다룰 것입니다. 마지막으로, 밀도는 밀도 고도에 대한 관계와 함께 설명할 것입니다.
5.2. Atmospheric Pressure
대기의 다양한 층을 구성하는 원자와 분자는 항상 무작위한 방향으로 움직입니다. 원자와 분자는 작은 크기임에도 불구하고, 표면에 부딪칠 때 압력을 가합니다.
각각의 분자는 너무 작아서 느낄 수 없을뿐더러 아주 작은 압력만을 가합니다. 그러나, 우리가 매 순간 표면에 부딪히는 많은 분자들의 압력을 더한다면, 총압력은 상당할 것입니다. 이것을 '기압'이라고 합니다. 공기의 밀도가 증가함에 따라, 시간과 면적의 단위당 분자가 부딪히는 횟수 또한 증가할 것입니다.
분자들은 모든 방향으로 움직이기 때문에, 심지어 물체의 아래에서 부딪힐 때 위쪽으로 기압을 가하기도 합니다. 따라서 기압은 모든 방향에서 가해집니다.
대기압은 대기의 무게에 의해 작용하는 단위 면적당 힘입니다. 공기는 고체가 아니기 때문에, 우리는 흔히 알고 있는 형식적인 저울로 무게를 잴 수 없습니다. 그렇지만, 3세기 전에, 에반젤리스타 토리첼리(Evangelista Torricelli)는 수은 기둥(column of mercury)에 대해 균형을 잡음으로써 대기의 무게를 측정할 수 있다는 것을 증명했습니다. 그는 실제로 압력을 측정해서 그것을 무게로 변환했습니다.
5.2.1. Barometer
토리첼리가 압력을 측정하도록 설계된 기구는 기압계(barometer)라고 불렸습니다. 아네로이드 기압계(aneroid barometer)는 기상학자들과 항공 업계에서 주로 사용되는 기압계 중 하나입니다.
[Figure 5-2]를 보면 아네로이드 기압계의 본질적인 특징은 유연한 금속 셀(cell)이라는 것과 레지스터 메커니즘(registering mechanism)이라는 것입니다. 부분적인 진공 상태를 만들기 위해 셀 밖으로 공기가 빠져나간 후 셀의 한쪽 끝은 고정된 반면, 다른 쪽 끝은 레지스터 메커니즘을 움직입니다. 결합 메커니즘(coupling mechanism)은 압력 단위로 눈금이 매겨진 눈금을 따라 지침을 움직이게 하는 셀의 움직임을 확대합니다.
5.2.2. Atmospheric Pressure Units
[Table 5-1]과 같이 기압은 전 세계에 걸쳐 많은 방법으로 표현됩니다. 전 세계 기상학자들은 오랫동안 제곱센티미터 당 힘으로서의 압력인 밀리바(millibars, mb or mbar) 단위의 대기압을 측정해왔습니다. 1960년 SI(International System of Units)의 도입 이후, 헥토파스칼(hPa)은 대부분의 국가에 의해 채택되었고 1968년에 처음 만들어진 METAR/SPECI 코드에 사용되었습니다. 많은 기상학자들은 그들의 과거 교육 과정과 경력 동안 그들이 배운 용어를 사용하는 것을 선호했습니다. 그러므로, 어떤 사람들은 헥토파스칼(hPa)을 사용하는 반면, 어떤 사람들은 밀리바(mb)라는 용어를 계속 사용했습니다. 수은주 인치(inHg or Hg)는 여전히 미국 고도계에서 사용되고 있습니다.
5.2.3. Station Pressure
공항에서 측정된 압력을 스테이션 압력(station pressure) 또는 공항 표고(field elevation)에서의 실제 압력(actual pressure)이라고 합니다. 높은 고도에서의 압력은 낮습니다. 그러므로, 공항 표고가 더 높은 공항은 일반적으로 공항 표고가 낮은 공항보다 압력이 낮습니다. 예를 들어, [Figure 5-3]을 보면 덴버(Denver)에서의 스테이션 압력은 뉴올리언스(New Orleans) 보다 낮습니다.
5.2.4. Pressure Variation
대기압은 고도와 공기의 온도에 따라 달라지며, 수증기와 같은 다른 작은 영향들에 따라 달라지기도 합니다.
5.2.4.1. Pressure Changes with Altitude
우리가 대기를 통해 하늘로 올라갈수록, 우리 주변에 있는 공기의 무게는 줄어들 것입니다. 만약 우리가 기압계를 가지고 하늘로 올라간다면, 우리는 주위에 있는 공기의 무게가 감소함에 따라 압력의 감소를 측정할 수 있을 것입니다. [Figure 5-4]는 표준 대기에서 높이에 따른 압력 감소를 보여주는 그림입니다.
이러한 표준고도는 표준 온도에 기초합니다. 실제 대기에서, 온도는 거의 표준이 아니기 때문에 우리는 다음 각 호에서 압력에 대한 온도의 영향을 알아볼 것입니다.
5.2.4.2. Temperature Effects on Pressure
대부분의 물질들처럼 공기는 따뜻해지면 팽창하고 차가워지면 수축하게 됩니다. [Figure 5-5]는 3개의 공기 기둥을 보여줍니다. 하나는 표준 온도보다 차갑고, 하나는 표준 온도이며, 다른 하나는 표준 온도보다 따뜻합니다. 각 기둥의 맨 아래와 맨 위에서의 압력은 동일합니다. 따뜻한 온도인 기둥에서의 수직 확장이 표준 온도에서의 기둥보다 더 높게 만들어졌습니다. 반면 차가운 공기가 있는 기둥의 수축 표준 온도의 기둥보다 짧게 만들어졌습니다. 각 기둥에서 총압력의 감소가 동일하기 때문에, 따뜻한 공기에서 높이에 따른 압력 감소 속도는 표준 온도에서 보다 작은 반면, 차가운 공기에서 높이에 따른 압력 감소 속도는 표준 온도에서보다 큽니다.
5.2.5. Sea Level Pressure
압력은 고도에 따라 크게 변화하기 때문에, 우리는 다른 고도에 있는 관측 사이의 압력들을 쉽게 비교할 수 없습니다. MSL(Meas Sea Level)은 세계적으로 공통적인 압력을 비교하기 위한 가장 유용한 기준입니다. [Figure 5-6]의 5,000 feet 높이의 관측소에서 측정된 압력은 25inch입니다. 압력은 1,000 feet마다 약 1inch의 수은주 인치를 증가시킵니다. 해수면의 압력은 대략 30 수은주 인치입니다.
해수면 압력은 일반적으로 지상 일기도(surface weather charts)에 표시됩니다. 압력은 지구 전체에서 지속적으로 변화합니다. 그래서 지상도(surface charts)의 순서(배열)는 이러한 변화하는 압력을 따라가기 위해 보여야 합니다.
5.2.5.1. Sea Level Pressure Analyses (Surface Chart)
해수면 압력을 지상도에 표시한 후, 동일한 해수면 압력의 점들을 연결하 선들이 그려집니다. 이러한 동일한 압력을 이은 선을 등압선이라고 합니다. 따라서 지상도는 알아볼 수 있어야 하고 조직화된 압력의 패턴을 보여주는 등압면 분석(isobaric analysis)입니다. 일반적으로 저기압, 고기압, 기압골 및 기압 마루의 네 가지 기압계(pressure system)를 확인할 수 있습니다.
5.2.6. Constant Pressure Surface
정압면은 어떠한 순간에도 상관없이 모든 곳에서 대기압이 동일한 면입니다. 예를 들어, 500mb의 정압면은 어디에서나 500mb의 압력을 가지고 있습니다. 정압면의 높이(고도)는 주로 온도로 인해 변화합니다. 이러한 높이는 레이윈존데로 측정할 수 있습니다.
5.2.6.1. Rawinsonde Observations
NWS(The National Weather Service)는 통상적으로 사운딩(Sounding)이라고 하는 정기적으로 상층 대기 관측을 실시합니다. 풍선은 라디오 기어(radio gear)와 감지(sensing) 요소로 구성된 레윈존데를 이동시킵니다. 작동 중인 레윈존데는 압력, 온도 및 상대 습도 등의 데이터를 전송합니다. 풍속과 풍향은 GPS를 이용하여 작동 중인 라디오존데의 위치를 추적함으로써 얻어집니다. 세계 대부분의 관측소들은 레윈존데 관측을 합니다. 그러나, 기상학자 및 기타 데이터 사용자는 레윈존데 관측을 라디오존데 관측이라고 자주 말하기도 합니다.
5.2.6.2. Constant Pressure Surface Analysis (Upper Air Chart)
레윈존데(그리고 다른 종류의 기구들)에 의해 측정된 이러한 높이(고도)는 등압면 일기도(constant pressure chart)에 표시되며 동일한 높이의 점을 연결하는 선을 그려서 분석됩니다. 이러한 선을 등고선(height contour)이라고 부릅니다.
첫째, 표고(elevation)의 변화를 보여주는 등고선이 있는 지형도를 생각해봅시다. 이런 변화가 보이는 등고선은 지형의 표면 높이에 대한 윤곽입니다. 지구의 표면은 고정되어 있는 것이고, 지표면의 높이는 다양하게 이루어져 있습니다.
기준이 정압면인 경우는 제외하고 동일한 개념이 상층 일기도의 높이에 대한 윤곽에 대해서도 적용됩니다. 그렇기 때문에 압력 표면(pressure surface)의 다양한 높이가 표시되어 있게 됩니다. 예를 들어, 700mb 정압 분석은 700mb 정압면 높이의 등고선도입니다. 등고선도가 높이의 변화에 기초하는 반면, 이러한 변화는 비행 고도에 관련해 이용하기에 적은 영향을 끼치며, 모든 실용적인 목적을 위해 700mb 차트는 MSL로부터 약 3,000m(10,000 feet) 상공의 기상 차트(일기도)로 이용됩니다.
[Figure 5-9]에서 볼 수 있듯 등압면 분석이 지표면에서 이러한 시스템을 보여주는 것처럼 등고선 분석은 높은 곳, 낮은 곳, 골 및 마루를 보여줍니다. 저기압/기압골 및 고기압/기압 마루의 시스템들은 압력파(pressure wave)라고 불리기도 합니다. 이러한 압력파는 물에서 보이는 물결과 매우 비슷합니다. 압력파는 기압 마루와 기압골을 가지고 있고 끊임없이 움직입니다.
- 고도계(altimeter) : 고도를 측정하는 계기로서 기압 고도계와 전파 고도계로 두 종류가 있습니다.
- 기압 고도계 : 고도가 높아질수록 기압이 낮아지는 것을 이용한 것으로 아네로이드 기압계에 높이를 눈금으로 표시한 것을 말합니다.
- 전파 고도계 : 전파가 지표로부터 반사해 오는 시간을 재어 고도를 측정하는 것을 말합니다.
- 수은주(column of mercury) : 수은 온도계나 수은 기압계의 유리관에 수은으로 채워진 부분을 말하며 그 속에 가득 들어 있는 수은이 기둥 모양을 이루며, 그 높이로 온도나 기압을 나타냅니다.
- 기압계(barometer) : 대기의 압력을 측정하는 장치로서 표준으로는 토리첼리의 진공에 대한 대기압을 수은의 높이에서 구하는 수은기압계가 쓰입니다.
- 아네로이드 기압계(aneroid barometer) : 수은을 사용하지 않고 금속의 탄성을 이용하여 내부를 진공으로 만든 얇은 금속제의 판이 기압이 변경됨에 따라 늘어났다 줄었다 하면서 두께의 미세한 변형을 확대하여 지침으로 기압을 측정하는 기압계입니다.
- 밀리바(millibar, mb, mbar) : 기압의 단위로 1 bar는 1,000 millibar입니다.
- 헥토파스칼(hPa, hectopascal) : 기상학에서 사용하는 기압의 단위를 말하며 1 hPa은 1㎡의 넓이에 1N의 힘이 작용할 때의 압력을 말합니다. 참고로 1Pa의 100배입니다.
- 수은주 인치(inHg) : 표준 중력 하에서 32 °F (0 °C)의 1inch짜리 수은 기둥이 가하는 압력입니다.
- 관측소 기압(station pressure) : 관측지점의 수은기압계로 측정한 기압 값에 계기오차보정, 온도 보정, 중력 보정을 한 기압을 말합니다.
- 해면기압(sea level pressure) : 평균 해수면(MSL, 해발고도 0m)을 기준 고도(reference level)로 하여 관측소에서 관측한 기압을 관측소의 해발고도에 대해 보정한 기압을 말합니다.
- 평균 해수면(mean sea level, MSL) : 해수면의 높이와 고도를 나타내는 표준을 말합니다. 더 자세히 설명하자면 조류나 계절적인 변동 등을 고려하여 반복해서 측정한 해수면으로 지역적인 고도의 기준면이며, 일반적으로 지도에서의 고도의 기준이 됩니다.
- 지상일기도(surface weather chart) : 관측지점의 기온, 이슬점 온도, 기압, 기압변화 경향, 구름, 바람, 시정, 현재와 과거의 날씨 그리고 강수량 등을 숫자와 기호로 기입하여 주로 등압선과 등온선 분석을 하는 일기도를 말합니다.
- 지상도(surface chart) : 해면기압의 분포를 나타내는 등압선이 그려져 있으며, 전선, 고기압, 저기압 등의 위치가 표시된 일기도입니다.
- 등압선(isobar) : 기압이 같은 지점을 연결한 선입니다.
- 등압면 분석(isobaric analysis) : 압력이 일정한 면을 따라 분석하는 방법을 말합니다.
- 등압면 일기도(constant pressure chart) : 등압면의 기상요소를 기입한 일기도입니다. 기온, 습도, 등온선, 등풍속선등이 기입되며 등압면의 높이가 같은 점을 연결한 등고선을 등압선과 똑같이 다룰 수 있는데, 고층 일기도에서 사용됩니다.
- 기압계(pressure system) : 일기도 상에서 대기의 순환과 관련되어 나타나는 개개의 고기압 또는 저기압 등의 모양을 말합니다.
- 골(trough) : 공간적으로 낮은 부분을 말합니다.
- 마루(ridge) : 공간적으로 높은 부분을 말합니다.
- 기압골 : 등압선을 그렸을 때 저기압 쪽을 향하여 v자 형이나 u자 형을 이루는 부분을 말합니다.
- 기압 마루 : 주변보다 기압이 높은 부분을 길게 연결한 곳을 말합니다.
- 레윈존데(rawinsonde) : 기구를 띄워서 자상에서 추적하여 방향과 위치를 구하는 장치입니다. 레윈 전용 송신기를 사용하거나 라디오존데와 공용한 것이 있으며 라디오존데를 이용할 경우 레윈존데라고 한다. 날씨와 관계없이 고층의 바람을 측정할 수 있습니다. 날씨와 관계없이 언제든지 관측할 수 있습니다
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 5-1~9 해석
'자습 [ Aviation Weather, FAA AC 00-6B ] > CH 5. Atmospheric Pressure and Altimetry' 카테고리의 다른 글
| 5.5. Density Altitude (0) | 2022.01.21 |
|---|---|
| 5.4. Altimetry (0) | 2022.01.20 |
| 5.3. Density (0) | 2022.01.19 |