대기는 어떤 성분으로 이루어져 있나?

눈에 보이지 않고 간단한 구성으로 이루어졌으리라 생각되는 공기, 하지만 이런 공기 중에는 많은 성분이 포함되어 있다.  공기 중에는 순수한 건조공기, 수증기 이외에도 액체, 고체의 불순물이 섞여 있다.  순수한 건조공기는 우리가 한 번쯤 이름을 들어본 질소, 산소, 아르곤, 탄산가스 등의 기체가 일정한 비율로 혼합되어 있다. 일정한 비율로 혼합된 공기의 조성에 대해 살펴보도록 하자.  건조한 공기 중에는 질소, 산소, 아르곤이 주성분을 이루고 그 외에 탄산가스, 네온, 헬륨, 일산화질소, 수소, 오존 등이 일정한 비율로 포함되어 있다. 그런데 신기하게도 우리에게 많은 영향을 미치는 것은 주성분보다는 수증기, 이산화탄소, 탄산가스, 오존, 프레온가스 등의 미량 성분들이다.  많은 양을 차지하고 있는 주성분들의 변화가 영향을 줄 것 같은데, 대기의 0.1%에 불과한 미량성분이 오히려 큰 영향을 준다는 사실이 놀랍지 않은가?  그러나 수증기는 여러 가지 기상현상을 일어나게 하고, 이산화탄소 및 탄산가스는 지구의 온난화에 영향을 주며, 프레온가스 등이 오존층을 파괴하여 자외선을 직접 지구에 투과시켜 생명체에 많은 피해를 준다는 것 등을 생각한다면 이러한 사실이 쉽게 납득이 될 것이다.  하늘 높이 올라가도 공기성분의 부피비는 일정할까?  만약 하늘 높이 올라간다고 가정했을 때 그곳의 공기조성은 지표 부근과 어떻게 다를까?  신기하게도 일정한 범위 안에서 각 공기의 부피비는 거의 같다.  즉, 공기의 조성은 지표 부근으로부터 지상 약 80km 부근의 고도까지 특별한 성분을 제외하면 거의 변하지 않는다.  그래서 지상 80km 까지를 공기성분의 부피비가 균일하게 분포하기 때문에 '균질권'이라고 부른다.  고도가 높아질수록 중력이 작아지기 때문에 공기 성분의 밀도는 고도에 따라 작아지지만, 그 성분비는 일정하디니 신기하지 않은가.  그렇다면 고도에 따라 공기 조성이 변하지 않는 이유는 무엇일까?  그 이유는 다음과 같다.  약 80km의 고도까지 대기의 연직 성분비는 대체로 일정한데 이것은 공기의 혼합작용 때문이다.  즉 대류, 난류, 순환 등 공기의 수직혼합으로 각 성분의 비율은 높이와 관계없이 일정하게 유지하고자 하는데, 이 작용은 고도가 높아짐에 따라 기온이 하강하는 대류권 내에서 현저하다.  이미 말한 바와 같이 고도 약 80km까지는 건조공기의 화학 성분비가 고도에 따라 변화하지 않지만, 만약 그 고도(80km) 보다 더 높은 고도에서는 어떻게 될까?  그 답은 '건조공기의 화학 서분비는 중력의 영향이 적어져 달라진다.'이다.  대체로 고도 100km 정도까지는 질소가 중성분이지만 170km 정도부터는 산소 원자가 공기의 주된 성분이 되며, 1,000km 정도에서는 헬륨이 많아지고 다시 그 위에는 가벼운 수소가 대부분을 차지한다.  이렇게 고도 80km부터 1,000km 정도까지는 특정한 기체가 각기 다르게 분포하기 때문에 '비균질권'이라 부른다.  이 영역에서는 확산분리과정에 의해 성분분포가 결정된다.  기체는 처음에 분리시켜 놓더라도 시간이 경과함에 따라 사방으로 퍼져 균일한 분포를 보이게 되는데, 이와 같이 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하여 전체의 밀도가 균일하게 되는 현상을 확산이라 한다.  한편 대기 중에는 오존, 아황산가스, 이산화질소 등과 같이 높이에 따라 성분비가 변하는 기체도 있다.  이는 이들 기체들이 태양복사에 의한 광화학적 반응 또는 산업화에 따른 인위적 요인 등에 의해 생성되기도 하기 때문이다.  대기의 성분들은 실생활에 어떻게 쓰이는 것일까?  위에서 언급한 대로 대기에는 많은 성분들이 포함되어 있다.  그렇다면 디기에 포함된 이러한 성분들은 실생활에서 어떻게 쓰이는 걸까?  먼저 대기 중에 가장 많이 포함된 성분인 질소(78.09%)부터 알아보자.  질소는 우리가 흔히 먹는 과자봉지 안에 들어 있다.  다른 물질(예를 들어 산소)과는 다르게 질소는 다른 물질과의 반응성이 낮다.  그래서 과자나 식품에 질소를 충전하여 내용물의 파손 보호 및 충전재 역할을 하고 있다.  또한, 반응성이 낮은 점을 이용하여 필라멘트(금속)와 반응하지 않도록 백열전구 안에 넣어주고 있다.  그리고 질소는 어떠한 물질을 급속하게 냉각시킬 때 쓰이기도 한다.  이때는 질소를 액화시켜 사용한다.  또한, 질소는 식물의 생장에 없어서는 안 될 성분으로, 질소비료 형태로 작물 재배 시 공급되기도 한다. 그렇다면 공기 중에 두 번째로 많이 함유된 산소(20.95%)는 어떨까?  산소의 큰 역할은 생물체가 살 수 있도록 호흡작용에 사용된다.  산소 없이 생물은 살기 어렵다.  또한, 산소는 물체의 연소 및 제철, 제강에도 사용하고, 사람을 살리는 의료용 호흡기에도 쓰인다.  다음으로는 대기에 소량으로 있지만 생활에 큰 영향을 끼치는 이산화탄소에 대해 알아보자.  이산화탄소는 식물의 광합성 작용에서 산소와 함께 쓰이며, 불의 소화에도 사용된다.  온실효과를 일으키기 때문에 최근에는 지구 온난화라는 큰 문제로 부각되는 성분이다.  마지막으로 산소와 질소 외에 공기를 이루고 있는 기체에 대해 알아보자.  성층권에 존재하는 오존은 살균작용이 있기 때문에 식품의 세척이나 살균제 등 실생활에서도 쓰인다.  하지만 인체에 직접 노출되면 해롭기 때문에 각별한 주의가 요구된다.  아르곤은 대기 성분 중 3번째로 많은 기체로 형광등의 충전재나 네온사인, 금속의 제련 등에 사용된다.  헬륨은 주로 전등을 만들 때 사용되고, 네온은 네온사인에 사용되며, 수소는 폭발력이 강해 폭탄이나 로켓, 비행선의 연료 및 수소 자동차 제작 시 사용된다.자료출처:쉽게 배우는 기상학[교육과학사]