5.3. Density
밀도는 물질이 차지하는 부피나 면적에 대한 어떤 양의 비율을 말합니다. 대기 밀도는 보통 [kg/㎥]로 표현되며 공기의 질량(무게)을 부피로 나눈 값(공기의 질량과 공기의 질량이 차지하는 부피의 비율)으로 정의됩니다. 즉, 단위 부피당 질량을 뜻합니다.
5.3.1. Volume Effects on Density
공기 덩이(air parcel)의 밀도는 부피에 반비례하여 변합니다. 질량이 동일하다고 가정할 때, 밀도가 더 높은 공기 덩이는 밀도가 더 낮은 공기 덩이보다 부피가 더 작습니다.
위 [Figure 5-11]에서 왼쪽의 짧은 기둥(즉, 부피가 더 작은 기둥)은 큰 부피를 포함하는 오른쪽 큰 기둥보다 밀도가 높습니다. 이것은 더 짧은 기둥 안의 공기 분자가 더 작은 부피 내에서 압축되어야 하기 때문입니다.
5.3.2. Changes in Density
일반적으로, 공기 덩이의 밀도는 질량, 압력, 또는 온도의 변화에 의해 바뀔 수 있습니다. 보일의 법칙은 이상 기체(ρ, 그리스어 rho)의 밀도는 다음과 같이 주어집니다.
여기서 M은 몰 질량(Molar mass), P는 압력, R은 보편 기체 상수, 그리고 T는 절대온도입니다.
5.3.3. Density Effects on Pressure
밀도는 압력과 직접적으로 관련이 있습니다. 일정한 질량과 온도를 가진 상황이라 가정할 때, 압력이 더 높은 공기 덩이는 압력이 더 낮은 공기 덩이보다 밀도가 더 높습니다.
우리는 이미 보았듯이, 기압은 대기의 높이에 따라 감소합니다. 따라서 밀도 또한 높이에 따라 감소하게 됩니다. 압력은 수직 방향의 밀도에 가장 큰 영향을 미칩니다.
5.3.4. Temperature Effects on Density
밀도는 온도에 반비례합니다. 일정한 질량과 압력을 가진 상태라고 가정할 때, 온도가 높은 공기 덩이는 온도가 낮은 공기 덩이보다 밀도가 낮습니다. 이 말은 따뜻한 공기가 더 큰 부피를 차지한다는 뜻입니다.
대기에서, 온도는 수평 방향으로 밀도에 가장 큰 영향을 미칩니다. 즉, 위치의 수평적 변화로, 온도는 밀도에 가장 큰 영향을 미친다는 것입니다. (예 : 뉴욕 vs 마이애미)
5.3.5. Water Vapor Effects on Density
공기 덩이의 밀도는 수증기의 양과 반비례합니다. 일정한 압력, 온도 및 부피를 가진 상태라고 가정할 때, 수증기의 양이 많은 공기는 수증기의 양이 적은 공기보다 밀도가 낮습니다. 이것은 건조한 공기 분자가 수증기 분자들보다 더 큰 질량을 가지고 있고, 밀도는 질량과 직접적으로 관련이 있기 때문입니다.
- 공기 덩이(air parcel) : https://jicho9597.tistory.com/127
- 이상기체(ideal gas) : 구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자 간 상호작용이 없이 탄성충돌만을 하는 가상적인 기체를 말합니다.
- 탄성충돌(Elastic collision) : 두 물체가 충돌하는 과정에서 에너지 손실이 없는 충돌을 말합니다.
- 몰 질량(molar mass) : 물질 1몰의 질량으로, 아보가드로수만큼 해당하는 원자 또는 분자의 질량을 말합니다.
- 보편 기체 상수(universal gas constant) : 보일-샤를의 법칙에 의한 이상 기체의 상태 방정식에서 정의되는 비례 상수를 뜻합니다.
- 절대온도(absolute temperature) : 물질의 특이성에 의존하지 않는 절대적인 온도이며 열역학의 표준 온도로 켈빈 온도라 하기도 합니다. https://jicho9597.tistory.com/133
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 5-10~12 해석
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