가깝고도 먼 미지의 공간, 하늘
과학의 눈으로 바라볼 때,
하늘은 더욱 높아지고 넓어진다!

우리가 지상에서 올려다보는 저 하늘은 파란색에서 저녁이면 꼭두서니 빛으로 물들고, 하얀 구름이나 검은 구름이 낮은 곳부터 높은 곳까지 다양한 높이에서 나타난다. 어떤 때는 비를 뿌리고, 강한 바람을 일으킨다. 언제나 우리의 머리 위에 끝없이 펼쳐져 있는 공간, 하늘. 과연 우리는 하늘에 대해 얼마나 알고 있을까?

하늘에 대해 다루는 학문 하면 흔히 대기물리학 또는 기상학을 떠올리곤 한다. 우리 생활과 밀접하게 연결되어 있는 기술로는 일기예보를 들 수 있다. 기상청에서는 지금 이 순간에도 시시각각 바뀌는 하늘의 상태를 체계적으로 관측하여 기상이 어떻게 변해갈지를 예상하고 있다.

이러한 날씨의 변화를 단지 지상에서만 관측할 수 있는 것은 아니다. 지구의 표면에는 공기가 존재하는데, 이를 대기권이라고 한다. 우리 인간을 비롯한 생명체가 살아갈 수 있는 것은 대기권 덕분이다. 대기권은 대류권, 성층권, 중간권, 열권이라는 네 가지 층으로 나뉘는데, 지상으로부터 고도 10~16km 정도까지가 대류권에 해당한다. 구름과 비, 안개와 눈, 바람과 낙뢰 등 다양한 날씨의 변화는 바로 이 대류권에서 나타난다고 볼 수 있다.

상공을 가로질러 유유히 나는 비행기를 올려다보며 누구나 한 번쯤은 이런 생각을 해보았으리라. 길이는 60m, 무게는 200톤에 달하는 거대한 비행기가 단지 날개가 있다는 이유만으로 어떻게 하늘을 자유롭게 비행할 수 있는 것일까? 과학기술 분야에서 저술 활동을 펼치고 있는 사이언스라이터이자 소형 비행기 조종사 자격증을 지닌 저자는, 비행기가 나는 원리는 공기의 과학적 측면에 숨어 있다고 설명한다. 강한 바람이 불 때 스케치북을 평평하게 세워서 들면 앞으로 걸어가기 어려워지고, 살짝 비스듬하게 눕히면 스케치북이 위나 아래쪽으로 마구 펄럭인다. 이때 생겨나는 힘을 동압이라고 하는데, 비행기 역시 이러한 동압을 잘 이용하여 하늘을 날 수 있는 것이다. 비행기는 이 외에도 날개의 모양, 날개에 작용하는 와류 등 여러 과학적 원리가 정밀하게 적용된 결과물이다.

비행기를 타고 하늘을 난다는 것은 바람, 구름, 비와 같은 기상의 변화를 몸소 느끼는 체험이기도 하다. 하늘의 과학 원리를 한 권에 담은 이 책을 통해 대기의 기본과 다양한 기상 현상의 원리, 그리고 비행기에 얽힌 자세한 과학 이야기를 쉽고 재미있게 만나보자. 그리고 책을 덮은 후 하늘을 다시금 올려다보자. 예전과는 다른 공간이 눈앞에 펼쳐질 것이다.

책 속에서

지구 주변에는 대기의 층이 존재한다. 이 높이를 100km로 볼 경우 지구의 반지름 6,378km(적도 반지름)에 비하면 60분의 1밖에 되지 않는다. 기상현상이 발생하는 10km까지는 600분의 1에 불과하다. 인류를 비롯한 지구상의 생명체들은 바로 이 대기층에서 살아가고 있다. 대기가 존재하는 덕분에 우리는 호흡할 수 있고, 평균 기온 15℃라는 쾌적한 환경이 유지되며, 동시에 우주공간이라는 혹독한 환경으로부터 보호를 받을 수 있다.
---「02 대기권 근방의 전리권·자기권·방사선대」중에서

“비행기는 어떻게 하늘을 나는 걸까요?” 초등학생이나 중학생으로부터 으레 듣는 질문이다. 어른이라도 비행기가 어떻게 하늘을 나는지 잘 모르는 사람이 많으리라. 확실히 보잉 787기처럼 무게 200톤, 전체 길이가 60m나 되는 거대한 비행기가 하늘을 난다니, 생각해보면 정말이지 신기하다. 여기서는 공기의 과학적인 측면을 통해 비행기가 나는 원리를 알아보고자 한다. 강한 바람이 불 때, 스케치북처럼 평평한 물체를 들고 걸어가면 바람에 밀려 날아가게 된다. 스케치북을 향해 정면에서 바람이 불어올 경우에는 앞으로 걸어가기 어려워지고, 스케치북의 방향이 바람 방향과 살짝 틀어지면 위나 아래쪽으로 마구 펄럭이게 된다. 이처럼 바람이 지닌 힘이 비행기를 날려 보내는 원동력이다.
---「10 비행기는 공기가 없으면 날지 못한다?」중에서

기압 경도력에 따라 공기의 흐름, 다시 말해 바람이 발생하고 코리올리힘에 따라 휘어진다. 여기에 추가로 바람에는 마찰력이 작용한다. 지표의 건물이 바람에 저항하면서 지표 부근에서는 바람이 약해지고, 상공으로 올라감에 따라 강해지다 일정 고도에서 더는 마찰의 영향을 받지 않게 된다. 정확히 경계면과 동일한 원리다. 마찰의 영향을 받는 범위는 고도 500~600m 정도까지로, 이곳을 에크만층이라고 부른다. 이 영역은 고도에 따른 풍속의 변화가 심하며 난기류가 많은 곳이기도 하다. 지표에는 빌딩 등의 건물이 있기 때문에 여기에 부딪힌 바람이 소용돌이로 변해 난기류를 일으킨다. 또한 지형의 높고 낮음은 상승기류와 하강기류를 생성하는데, 둘이 충돌하는 곳에서도 난기류가 발생한다. 산의 경사면에 부딪힌 바람은 상승해서 구름을 발생시킨다.
---「17 바람은 어디에서 불어오는가」중에서

1654년 5월 8일, 진공에 관한 역사적인 실험이 실시되었다. ‘마그데부르크의 반구’라는 실험이다. 독일의 화학자이자 마그데부르크의 시장이기도 했던 게리케는 지름 약 50cm의 금속 반구 두 개를 붙인 후 자신이 발명한 진공 펌프로 내부의 공기를 빼내 진공 상태로 만들었다. 이 두 개의 반구는 양옆에서 각각 여덟 마리의 말이 잡아당겨서야 간신히 떨어졌다. 이 일화에서도 알 수 있듯 공기의 힘은 매우 강력하다. 기압의 변화에 따라 바람이 발생하고 때로는 강력한 에너지를 간직한 채 불어오는 폭풍으로 돌변하기도 하는 등, 공기의 힘은 다양한 기상의 변화를 초래한다.
---「24 기압이란 무엇인가?」중에서

중층·상층의 높은 하늘에 구름이 나타나는 원인은 지상에서의 대류가 전부는 아니다. 높은 곳에 출현하는 구름은 주로 수증기를 포함한 공기가 수평 방향에서 이류해 오면서 발생한다. 예를 들어 청명한 날씨를 불러온 고기압의 후면, 다시 말해 진행 방향의 후미에 해당하는 일본 열도에서는 남쪽에서 올라온 습하고 따뜻한 공기가 고기압 서쪽으로 유입되기 때문에 고층운을 비롯한 구름이 발생한다. 한동안 맑은 날씨가 이어지다 높은 하늘에 옅은 구름이 걸렸다면 슬슬 고기압 후면에 접어들었음을 알 수 있다.
---「35 구름은 어떻게 생겨날까」중에서

시정장애를 초래하는 기상현상은 안개, 박무 외에도 다양하다. 연무는 연기 때문에 발생하는 현상으로, 헤이즈라고도 한다. 자동차의 배기가스, 공기 중을 떠다니는 작은 모래먼지 때문에 시정이 10km 미만으로 낮아진 상태를 말한다. 안개와는 다르게 공기가 포화되어 있지 않아 습도가 75% 이하로 건조한 경우를 일컫는다. 연무는 산불의 연기·공장에서 배출되는 가스·자동차의 배기가스 등이 에어로졸로 변해 공기 중에 떠다니는 것이다. 초미세먼지 등도 원인으로 작용한다. 연무가 발생하면 시정이 극단적으로 나빠져 항공기의 이착륙에 큰 영향을 끼친다.
---「48 다양한 시정장애 현상」중에서

시작하며

제1장 대기의 기본
01 대기의 기본 정보
02 대기권 근방의 전리권·자기권·방사선대
03 날씨의 변화는 어디에서 일어나는가?
04 초고층 대기의 물리

제2장 대기의 기본적인 성질
05 굴뚝이 높은 이유
06 고원이 서늘한 이유
07 공기의 점성이란
08 유체역학이란
09 유체에 작용하는 힘과 단위

제3장 공기의 역학
10 비행기는 공기가 없으면 날지 못한다?
11 흐름의 박리
12 층류와 난류
13 골프공의 비밀
14 양력은 소용돌이에서
15 공기의 힘으로 활공
16 새의 비행으로부터 배운 것

제4장 바람
17 바람은 어디에서 불어오는가
18 바람에는 어떤 종류가 있을까?
19 어째서 바람은 다양한 방향에서 불어오는 걸까
20 솔개가 활공할 수 있는 이유는?
21 상공의 바람은 강하다
22 비행기와 바람
23 계절의 변화를 나타내는 바람

제5장 기압
24 기압이란 무엇인가?
25 저기압의 종류
26 고기압의 종류
27 전선은 난기류의 소굴
28 비행기의 고도는 기압고도
29 비행기의 속도는 기압으로 알 수 있다

제6장 온도
30 대기는 항상 변화한다
31 공기가 지닌 에너지
32 푄 현상에 따른 온도 상승
33 기온과 비행기

제7장 구름과 비
34 다양한 형태의 구름
35 구름은 어떻게 생겨날까
36 가장 역동적이며 매력적인 적란운
37 뇌운과 낙뢰
38 비의 종류
39 운량의 단위와 기호

제8장 소용돌이와 난기류
40 난기류가 생겨나는 이유
41 인공적인 난기류
42 대류성 난기류
43 역학적 난기류
44 난기류를 관측하는 기술
45 난기류를 이용하는 비행기의 원리

제9장 안개·눈·얼음
46 안개가 생겨나는 이유
47 항공 기상에서 안개의 분류
48 다양한 시정장애 현상
49 시정장애에 대처하기 위한 항공기의 비행 원칙
50 계기 비행 방식이란
51 눈과 얼음·강설
52 비행기에 얼음이 부착되는 높이
53 착빙에 대처하는 방법

제10장 비행기와 항공역학과 기상에 관한 이모저모
54 급강하의 항공기역학
55 수평선이 보이지 않는다!
56 기상정보를 입수하는 방법
57 횡풍과 슬립
58 바람에 따른 영향을 수정하며 비행
59 최종 진입부터 접지까지
60 네 가지 프로펠러 효과
61 하늘을 나는 자동차

참고문헌