지구 및 우주환경(지구대기, 표준대기, 우주환경)

지구대기 "Earth Atmosphere"

지구대기의 압력과 밀도는 고도가 증가하면서 감소한다. 그러나 온도는 매우 다양한 특성을 갖는데 오랜 관측으로 지구의 대기는 온도 변화의 특성으로 다섯 층으로 구분할 수 있다는 것을 알게 되었다.

 

1. 대류권(Troposphere) : 밀도와 압력은 고도 변화에 따라 급격히 감소하며, 온도가 고도 증가에 따라 감소하는권역이다. 적도에서는 고도 약 16km 정도이고, 극지방에서는 고도 약 9km 정도이다. 평균적으로 고도 약 11km까지의 권역이다. 계절에 따라 그 높이가 변화한다. 평균적으로 온도의 감소율은 6.5°C/km이며, 기상현상이 발생하는 권역이다. 대류권의 최상층은 대류권계면이라 불리는 경계면이 있으며 온도는 약 56°C 정도이다. 민항기는 대류권계면이나 성층권 아래에서 비행한다.
2. 성층권(Stratosphere) : 밀도와 압력은 고도에 따라 감소하나, 온도는 증가하는 고도 약 50km까지의 권역이다.온도는 약 20km의 -56°C에서 50km의 0°C까지 상승한다. 수직 방향의 공기 이동이 없어기상현상이 거의 없다. 특히 성층권의 아랫부분에는 제트기류라는 강한 서풍이존재한다. 성층권의 최상층은 성층권계면이라 불리며 중간권과경계를 이루고 있다.
3. 중간권(Mesosphere) : 고도 약 50km부터 약 85km 사이의 권역이다. 이 권역은 다섯 층의 지구대기층의 중간이어서 이와 같은 이름을 얻었다. 이 권역에서는 고도 증가에 따라 대류권과 같이 온도가감소하며, 밀도와 압력은 고도 증가에 따라 감소한다. 그래서 상층 대류권이라 부르기도한다. 상층의 낮은 온도와 하층의 높은 온도로 인하여 대류가 존재한다. 태양의 적외선에의하여 광화학 반응으로 대기 입자의 해리와 재결합이 발생한다. 열권과의 경계면인 중간권계면이 존재하며, 중간권계면의 최저온도는-100°C에 이른다.
4. 열권(Thermosphere) : 고도 약 85km에서 500km까지의 권역으로 온도는 고도 85km에서 -85°C에서 500km에서 1600°C로 증가한다. 적외선의 광화학 작용으로 공기입자는 이온화되어 있으며, 이 이온은 D, E와 F의 세 층에 집중되어 있다. D층이 지구와 가장 가까우며 F층이 지구와 가장 먼 층이다. 지상에서 145km까지의 영역이 국가의 권력이 미치는 영공이다. 그보다 높은 권역은 누구나 자유롭게 사용할 수 있다.
5. 외기권(Exosphere) : 지구대기층의 가장 외곽층으로 고도 약 500km에서 고도 1500km 또는 더 높은 고도까지 미치는 권역이다. 지구대기와 행성간공간의 경계를 말한다.

표준대기 "Standard Atmosphere"

실제 대기는 정상상태가 아니라 시간, 장소 및 고도에 따라 변화한다. 항공기의 비행성능은 항공기가 비행하는 곳의 대기조건에 의하여 달라질 수 있으므로 항공기의 비행성능을 객관적으로 평가하기 위해서는 표준화된 대기가 필요하다. 이러한 표준대기는 설계자들이 항공기 등을 설계할 때 기준으로 사용된다. 현재까지 제안된 표준대기 총 3가지이며, 다음과 같다.

 

1. ARDC Model, 1959, USAF.
2. ICAO 표준대기, 1964.
3. US 표준대기, 1962, 1976년 개정.

국제 표준대기

그러나 위 모델들은 항공기가 운행하는 고도 30km까지는 거의 동일하다. 위 그림에선 ICAO에서 정한 표준대기가 도시되어 있다. 세로축이 지위고도로 되어 있는 것에 유의하라. 지위고도는 평균해수면을 한 평면으로 정의된 좌표계의 수직 좌표를 말한다. 그러므로 같은 지위고도에서는 중력위치에너지가 같다. 반면 진고도 또는 고도는 해수면으로부터의 높이를 말한다. 일반적으로 고도는 이 진고도를 의미한다. 진고도는 기하고도라 부르기도 한다. 

우주환경 "Space Environment"

우주비행체는 지상환경과 다른 우주환경에서 작동된다. 우주환경은 우주비행체의 수명에 지대한 영향을 미치기 때문에 우주비행체를 설계하고 운용하는 데 중요한 고려사항이 된다. 우주환경에는 우주복사, 미세중력, 저진공, 열 환경 및 우주파편 등이 있다. 이들 환경은 고도, 계절, 시간, 태양흑점주기 그리고 궤도에 따라 변한다.

밴 앨런 대(Van Allen belt)

1. 우주복사 : 우주공간에서 발생하는 복사는 밴 앨런 대에 잡혀 있는 양성자와 전자로 이루어진 에너지를 가진 입자, 다른 은하계의 신성 혹은 초신성 폭발에 의해 만들어진 에너지를 가진 입자, 지구로 오는 은하우주복사선, 그리고 태양으로부터의 고에너지 입자로 발생한다. 이들 복사입자들은 단일사건효과와 총피폭 효과를 유발하는 원인이 된다. 단일사건효과는 위성의 각종 전자부품에 고에너지 입자에 의한 1회성 오동작을 유발하고, 장시간 노출로 생기는 총피폭 효과는 오랜 시간 복사에 노출되어 성능이 떨어지는 현상이다. 태양으로부터 오는 고에너지 입자들인 양성자, 알파입자 및 중이온 입자들은 태양 표면의 활동영역으로부터 오는 것으로 태양 활동 극대기 때 태양풍이 최대이고, 그 에너지는 수백 MeV에 이른다. 은하우주복사 입자들은 태양계 외부로부터 유입되는 입자들을 말하며, 85%의 양성자, 14%의 알파입자 및 1% 미만의 중핵이온으로 구성되어 있다. 중핵이온의 구성비율은 낮지만 고에너지를 갖는 입자를 포함하기 때문에 통과하는 물질을 강하게 이온화시킨다. 이 밴 앨런 대에 포획된 입자는 30 KeV 이상의 에너지를 가지며 양성자와 전자로 구성되어 있고, 이러한 낮은 에너지를갖는 이온들은 위성체를 통과하는 복사와는 다르게 위성시스템에 손상을 줄 수 있다.
2. 미세중력 : 위성이 궤도를 선회할 때 위성은 연속적인 자유낙하 상태에 있으며 물체의 선회속력이 충분히 커 지구와 충돌하지 않는 것이다. 자유낙하 상태에서는 지구 중력과 위성의 낙하속도가 서로 상쇄되어 위성은 미세중력에 놓이게 된다. 이러한 미세중력에서 구조물의 구조하중은 지상에서의 것과 다르다. 또한 중력의 영향으로 발생하는 대류현상이 없다. 이러한 미세중력의 특성으로 정밀 베어링과 같은 완전한 구와 분순물이 없는 결정체 제조가 가능하여 순수의약품의 제조 등이 용이하여, 이에 대한 연구가 이루어지고 있다.
3. 진공 : 고도가 높아짐에 따라 우주공간은 압력이 낮아지기 때문에 공기가 희박해지고 초진공의 세계가 된다. 이와 같은 진공 중에는 수소나 탄소 등의 분자는 존재하지 않고 1cm의 부피 중에 수십 개의 전자나 양자가 존재할 뿐이다. 진공 중에 노출되었을 때는 가스분출현상이 발생하여 열적인 단열재나 접착제 및 혼합체의 구조물에서 가스가 분출하고 증발 가능한 물질은 대체로 증발하여 우주공간에 확산된다. 지상에서 진공상태의 모의시험은 열진공 챔버나 진공 챔버를 이용한다. 이러한 챔버를 사용하면 10-1~10torr(10~10-12 atm)까지의 진공상태를 모의시험하는 것이 가능하다.
4. 열 환경 : 위성의 열 환경은 태양과 지구로부터의 복사량의 크기 및 분포에 따라 결정된다. 위성 유입되는 태양의 복사, 지구로부터 반사되는 태양에너지, 지구와 지구대기로부터 방출되는 장파의 복사에너지 등에 의해 열적 에너지를 받으며, 위성 내부의 열원을 포함하여 장기적으로는 태양에 대해 거의 복사평형을 이룬다. 5,507°C의 흑체 온도를 갖고 있는 태양과 - 270°C에 달하는 심우주로부터의 온도는 온도의 극한치를 보여준다. 지구궤도위성의 경우는 보통 - 70°C에서 80°C의 온도변화를 겪는다. 만약 위성에 적당한 내부 열전도로가 제공되지 않으면 위성에서 태양이 비추는 부분과 반대편과의 온도 차이는 이와 같은 극한 상태가 될 것이다.
5. 미세운석과 우주파편 : 지구 주위에는 혜성, 유성 등의 잔해와 같은 먼지들이 널리 분포되어 있으며, 이들을 미세운석이라고 한다. 또한 수명이 다 된 우주비행체, 로켓 부스터의 파편, 고체로켓연료 입자 등이 마치 구름처럼 지구궤도를 떠다니고 있는데 이들을 우주파편이라 한다. 이들 미세운석과 우주파편은 그 크기가 대개 1cm이하로 매우 작지만 궤도 비행속력으로 충돌했을 때 매우 큰 운동에너지를 발휘하므로 주의가 요구된다.