지구의 대기

지구의 대기는 지구의 행성 표면 ( 육지 와 바다 모두 )을 둘러싼 가스 혼합물 층으로 구성되어 있으며 , 이를 총칭하여 공기 라고 하며 , 다양한 양의 부유 에어로졸 과 입자 ( 구름 과 안개 와 같은 기상 특성을 생성 )가 지구의 중력 에 의해 유지됩니다 . 대기는 지구 표면과 우주 사이의 보호 완충 장치 역할을 하며 , 대부분의 유성체 와 자외선 태양 복사 로부터 표면을 보호하고 , 지구를 따뜻하게 유지하고 열 유지( 온실 효과 )를 통해 일중 온도 변화 ( 낮 과 밤 의 극한 온도 )를 줄이며, 기류를 통해 열과 수분을 다른 지역으로 재분배하고 , 지구에서 생명체가 존재하고 진화 할 수 있는 화학적 및 기후 조건을 제공합니다 .

몰 분율 (즉, 분자 양 ) 에 따르면 건조 공기에는 질소가 78.08% , 산소가 20.95% , 아르곤이 0.93%, 이산화탄소가 0.04% , 기타 미량 가스가 소량 포함되어 있습니다. 공기에는 또한 다양한 양의 수증기가 포함되어 있으며 , 해수면에서 평균 약 1%, 대기 전체에서는 0.4%입니다. 공기 구성, 온도 및 기압은 고도 에 따라 다릅니다 . 대기 내에서 육상 식물 의 광합성 과 육상 동물 의 호흡 에 적합한 공기는 지상에서 12킬로미터(7.5마일) 이내에만 있습니다. ^[2]

지구의 초기 대기는 태양 성운 에서 모인 가스 로 구성되었지만 , 대기는 화산 활동 , 충돌 사건 , 풍화 및 생명의 진화 (특히 광자영양생물 )와 같은 많은 요인의 영향을 받아 시간이 지남에 따라 크게 변했습니다. 최근 인간 활동도 기후 변화 (주로 삼림 벌채 및 화석 연료 관련 지구 온난화 ), 오존 고갈 및 산성 침전 과 같은 대기 변화에 기여했습니다 .

대기의 질량은 약 5.15 × 10^18kg  , ^[3] 그 중 4분의 3이 표면에서 약 11km(6.8마일; 36,000피트) 이내에 있습니다. 대기는 고도가 높아질수록 더 얇아지며 대기와 우주 사이에 명확한 경계가 없습니다 .지구 반경의 1.57%인 100km(62마일) 떨어진 카르만 선은 종종 대기와 우주의 경계로 사용됩니다. 대기 효과는 우주선이 약 120km(75마일) 고도에서 대기에 재진입하는 동안 눈에 띄게 나타납니다 . 온도와 구성과 같은 특성을 기준으로 대기에서 여러 층을 구별할 수 있습니다. 즉, 대류권 , 성층권 , 중간권 , 열권 ( 공식적으로는 전리권 ) 및 외기권 입니다 .

지구 대기와 그 과정에 대한 연구를 대기 과학 (공기학)이라고 하며 기후학 및 대기 물리학과 같은 여러 하위 분야를 포함합니다 . 이 분야의 초기 개척자로는 Léon Teisserenc de Bort 와 Richard Assmann 이 있습니다 . ^[4] 역사적 대기에 대한 연구를 고기후학 이라고 합니다 .

지구 대기의 세 가지 주요 구성 요소는 질소 , 산소 , 아르곤 입니다 . 수증기는 질량 기준으로 대기의 약 0.25%를 차지합니다. 수증기(온실 가스)의 농도는 몰 분율 기준으로 대기의 가장 차가운 부분에서 약 10ppm에서 몰 분율 기준으로 덥고 습한 기단에서 최대 5%까지 크게 다르며, 다른 대기 가스의 농도는 일반적으로 건조 공기(수증기 없음) 기준으로 표시됩니다. ^{[8] : 8} 나머지 가스는 종종 미량 가스라고 하며 ^[9] 여기에는 주로 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 및 오존과 같은 다른 온실 가스가 있습니다. 아르곤 외에도 다른 비활성 기체인 네온 , 헬륨 , 크립톤 및 크세논 도 존재합니다. 여과된 공기에는 많은 다른 화학 화합물이 미량 포함됩니다 . 많은 자연적 기원의 물질은 여과되지 않은 공기 샘플에서 에어로졸 형태로 지역적으로 그리고 계절적으로 다양하게 소량 존재할 수 있으며 , 여기에는 미네랄 및 유기 성분의 먼지 , 꽃가루 및 포자 , 바닷물 분무 , 화산재 가 포함됩니다. 염소 (원소 또는 화합물), 불소 화합물, 원소 수은 증기와 같은 다양한 산업 오염 물질 도 가스 또는 에어로졸 형태로 존재할 수 있습니다. 황화수소 및 이산화황 (SO ₂ ) 과 같은 유황 화합물은 자연적 공급원이나 산업적 대기 오염에서 유래될 수 있습니다.

몰분율에 따른 공기의 주요 성분 ^[13]

건조한 공기
가스		몰분율 (A)
이름	공식	ppm (B) 단위	안에 %
질소	엔 2	780,840	78.084
산소	오 2	209,460	20.946
아르곤	아르	9,340	0.9340
이산화탄소 (2022년 4월) (C) [14]	이산화탄소​	417	0.0417
네온	네	18.18	0.001818
헬륨	그	5.24	0.000524
메탄 (2022) (C) [15]	4 장	1.91	0.000191
크립톤	크르	1.14	0.000114
공기가 건조하지 않은 경우:
수증기 (D)	H2O2 ( 수소 )	0–30,000 (D)	0~3% (E)
참고사항: (A) 몰 분율 은 때때로 부피 분율 이라고도 합니다 . 이는 이상 기체의 경우에만 동일합니다. (B) ppm: 분자 수에 따른 백만 분의 1 실험 오차 로 인해 위의 총 ppm은 100만 이상(현재는 83.43 이상)이 됩니다 . (C) 최근 수십 년 동안 CO 2 의 농도 와 CH 4 의 농도가 증가 하고 있습니다 . (D) 수증기는 전체 대기 중 질량 기준으로 약 0.25%입니다. (E) 수증기는 지역적으로 상당히 다르다 [8]

밀도를 계산하거나 몰 분율과 질량 분율 사이를 변환하는 데 사용할 수 있는 건조 공기의 평균 분자량은 약 28.946 ^[16] 또는 28.96 ^{[17] [18]}  g/mol입니다. 이것은 공기가 습도가 높을 때 감소합니다.

가스의 상대 농도는 약 10,000m(33,000피트)까지 일정하게 유지됩니다. ^[19]

일반적으로 대기의 기압과 밀도는 고도에 따라 감소합니다. 그러나 온도는 고도에 따라 더 복잡한 프로필을 가지며 일부 지역에서는 고도에 따라 비교적 일정하게 유지되거나 심지어 증가할 수도 있습니다(온도 섹션 참조). 온도/고도 프로필 또는 감소율 의 일반적인 패턴은 일정하고 계측된 풍선 탐사를 통해 측정할 수 있기 때문에 온도 동작은 대기 층을 구별하는 데 유용한 척도를 제공합니다. 이런 식으로 지구 대기는 대류권, 성층권, 중간권, 열권, 외기권의 다섯 가지 주요 층으로 나눌 수 있습니다(대기 성층화라고 함). ^[20] 다섯 층의 고도는 다음과 같습니다.

• 외기권: 700~10,000km(440~6,200마일) ^[21]
• 열권: 80~700km(50~440마일) ^[22]
• 중간권: 50~80km(31~50마일)
• 성층권: 12~50km(7~31마일)
• 대류권: 0~12km(0~7마일) ^[23]

외기권은 지구 대기의 가장 바깥쪽 층입니다(너무 얇아서 일부 과학자들은 대기의 일부가 아니라 행성 간 공간의 일부로 간주합니다). 외기권은 열권 꼭대기의 열권계면 (일명 "외기저")에서 태양풍 과 행성 간 매질과의 잘 정의되지 않은 경계까지 확장됩니다 . 외기저의 고도는 태양 복사가 더 많이 들어오는 시기에 약 500킬로미터(310마일; 1,600,000피트)에서 약 1,000킬로미터(620마일)까지 다양합니다. ^[24]

상한은 정의에 따라 다릅니다. 다양한 기관에서는 그것이 약 10,000킬로미터(6,200마일) ^{[25] 또는 약 190,000킬로미터(120,000마일)에서 끝난다고 생각합니다. 이는 지구 중력의 영향이 태양} 광의 복사압 과 거의 같은 달까지의 약 중간 지점입니다 . ^[24] 극자외선(중성 수소로 인해 발생)에서 볼 수 있는 지구 코로나는 적어도 100,000킬로미터(62,000마일)까지 확장됩니다. ^[24]

이 층은 주로 수소, 헬륨 및 질소, 산소, 이산화탄소를 포함한 외기권에 더 가까운 여러 무거운 분자의 극도로 낮은 밀도로 구성됩니다. 원자와 분자는 서로 충돌하지 않고 수백 킬로미터를 이동할 수 있을 만큼 멀리 떨어져 있습니다. 따라서 외기권은 더 이상 가스처럼 작동하지 않으며 입자는 끊임없이 우주로 빠져나갑니다 . 이러한 자유롭게 움직이는 입자는 탄도 궤적을 따르며 자기권 또는 태양풍 에 드나들 수 있습니다 . 지구는 매초 약 3kg의 수소, 50g의 헬륨 및 훨씬 적은 양의 다른 성분을 잃습니다. ^[26]

외기권은 기상 현상이 일어날 수 없을 만큼 지구에서 너무 멀리 떨어져 있습니다. 그러나 지구의 오로라 (오로라 보레알리스(북극광)와 오로라 오스트랄리스(남극광))는 때때로 외기권 하부에서 발생하여 열권과 겹칩니다. 외기권에는 지구를 도는 많은 인공위성 이 있습니다 .

열권은 지구 대기에서 두 번째로 높은 층입니다. 약 80km(50마일; 260,000피트) 고도의 중간권계면(중간권과 분리)부터 500~ 1000km(310~620마일; 1,600,000~3,300,000피트 고도 범위의 열권계면 까지 확장됩니다. 열권계면의 높이는 태양 활동의 변화로 인해 상당히 다릅니다. ^{[22] 열권계면이 외기권의 하부 경계에 있기 때문에} 외기저 라고도 합니다 . 지구 표면에서 80~550km(50~342마일) 높이의 열권 하부에는 전리층이 있습니다 .

열권의 온도는 높이에 따라 점차 증가하며 최대 1500°C(2700°F)까지 올라갈 수 있지만 가스 분자가 너무 멀리 떨어져 있어 일반적인 의미에서의 온도 는 그다지 의미가 없습니다. 공기가 너무 희박해서 개별 분자( 예: 산소 )가 다른 분자와 충돌하는 사이 평균 1km(0.62마일, 3300피트)를 이동합니다. ^[27] 열권에는 고에너지 분자의 비율이 높지만 밀도가 너무 낮아 피부로 상당한 양의 에너지를 전달하거나 피부에서 에너지를 방출할 수 없기 때문에 직접 접촉하는 사람에게는 뜨겁지 않게 느껴집니다.

이 층은 구름이 전혀 없고 수증기가 없습니다. 그러나 오로라 보레알리스 와 오로라 오스트랄리스와 같은 비수문기상 현상이 때때로 열권에서 관찰됩니다. 국제 우주 정거장은 350~420km(220~260마일) 사이의 이 층을 공전합니다. 지구를 공전하는 많은 위성이 있는 곳이 바로 이 층입니다.

중간권은 지구 대기에서 세 번째로 높은 층으로, 성층권 위, 열권 아래 영역을 차지합니다. 해발 약 50km(31마일, 160,000피트)의 성층권 경계면에서 해발 80~85km(50~53마일, 260,000~280,000피트)의 중간권 경계면까지 이어집니다.

기온은 대기의 중간층 꼭대기를 나타내는  중간권 계면 까지 고도가 높아질수록 떨어집니다 . 이곳은 지구에서 가장 추운 곳이며 평균 기온은 약 -85 °C (-120  °F ; 190K  ) 입니다 . ^{[28] [29]}

중간권 바로 아래에서 공기는 너무 차가워서 이 고도에서 매우 희소한 수증기조차도 얼음 입자의 극지-중간권 야광운 으로 응축 될 수 있습니다. 이것들은 대기에서 가장 높은 구름이며 일몰 후 약 1~2시간 또는 일출 전에 햇빛이 반사되면 맨눈으로 볼 수 있습니다. 이것들은 태양이 지평선 아래 약 4~16도일 때 가장 쉽게 볼 수 있습니다. 일시적 발광 사건 (TLE)으로 알려진 번개에 의한 방전은 때때로 대류권 뇌운 위의 중간권에서 형성됩니다. 중간권은 또한 대부분의 유성이 대기에 진입할 때 타버리는 층입니다 . 제트 엔진 항공기와 풍선이 접근할 수 없을 만큼 지구에서 너무 높고 궤도 우주선이 접근할 수 없을 만큼 너무 낮습니다. 중간권은 주로 탐사 로켓 과 로켓 엔진 항공기 가 접근할 수 있습니다 .

성층권은 지구 대기에서 두 번째로 낮은 층입니다. 대류권 위에 있으며 대류권과 대류권 경계면 으로 분리되어 있습니다 . 이 층은 지구 표면에서 약 12km(7.5마일, 39,000피트) 높이의 대류권 꼭대기에서 약 50~55km(31~34마일, 164,000~180,000피트) 고도의 성층권 경계면 까지 확장됩니다.

성층권 상단의 대기압은 해수면의 약 1/1000입니다 . 여기에는 지구 대기의 일부인 오존층이 있으며, 이 부분은 비교적 높은 농도의 가스를 포함합니다. 성층권은 고도가 높아질수록 온도가 상승하는 층을 정의합니다. 이러한 온도 상승은 오존층이 태양의 자외선 (UV)을 흡수하여 난류와 혼합을 제한하기 때문에 발생합니다. 대류권 경계면에서 온도가 -60°C(-76°F; 210K)일 수 있지만, 성층권 상단은 훨씬 더 따뜻하고 0°C에 가까울 수 있습니다. ^[30]

성층권 온도 프로파일은 매우 안정적인 대기 조건을 만들어내므로 성층권에는 대류권에서 흔히 볼 수 있는 기상을 유발하는 공기 난류가 없습니다. 결과적으로 성층권에는 구름과 기타 기상 형태가 거의 전혀 없습니다. 그러나 극지방 성층권 또는 진주구름은 때때로 공기가 가장 차가운 이 대기층의 하부에서 볼 수 있습니다. 성층권은 제트 엔진 항공기 가 접근할 수 있는 가장 높은 층입니다 .

대류권은 지구 대기의 가장 낮은 층입니다. 지구 표면에서 약 12km(7.5마일; 39,000피트)의 평균 높이까지 확장되지만, 이 고도는 지리적 극지방 에서 약 9km(5.6마일; 30,000피트)에서 적도 에서 17km(11마일; 56,000피트)까지 다양하며 ^[23] 날씨에 따라 약간 다릅니다. 대류권은 대류권 경계면으로 둘러싸여 있으며 , 대부분 의 장소에서 온도 역전 (즉, 차가운 공기 위에 비교적 따뜻한 공기가 있는 층)으로 경계가 표시되고, 다른 곳에서는 높이가 있는 등온 영역으로 경계가 표시됩니다 . ^{[31] [32]}

변화가 발생하기는 하지만 대류권은 대부분 표면으로부터의 에너지 전달을 통해 가열되기 때문에 온도는 일반적으로 대류권의 고도가 높아질수록 감소합니다.따라서 대류권의 가장 낮은 부분(즉, 지구 표면)은 일반적으로 대류권에서 가장 따뜻한 부분입니다.이것은 수직 혼합을 촉진합니다(따라서 이름의 유래는 "회전"을 의미하는 그리스어 τρόπος, tropos 입니다).대류권은 지구 대기 질량 의 약 80%를 포함합니다 . ^[33] 대류권은 모든 위의 층보다 밀도가 높은데, 더 큰 대기 중량이 대류권 위에 놓여 가장 심하게 압축되기 때문입니다.대기 총 질량의 50%는 대류권 하단 5.6km(3.5마일; 18,000피트)에 있습니다.

거의 모든 대기 수증기 또는 수분이 대류권에서 발견되므로 지구 날씨의 대부분이 발생하는 층입니다. 기본적으로 활발한 바람 순환에 의해 생성된 모든 날씨 관련 구름 속 유형이 있지만 매우 높은 적란운 뇌운은 아래에서 대류권 경계면을 관통하여 성층권 하부로 올라갈 수 있습니다. 대부분의 기존 항공 활동은 대류권에서 이루어지며 프로펠러 구동 항공기 가 접근할 수 있는 유일한 층입니다 .

온도에 따라 크게 결정되는 위의 5가지 주요 층 내에서 여러 보조 층은 다른 속성에 따라 구별될 수 있습니다.

• 오존층 은 성층권에 포함되어 있습니다. 이 층에서 오존 농도는 백만 분의 2~8로 하층 대기보다 훨씬 높지만 대기의 주요 구성 요소에 비하면 여전히 매우 작습니다. 주로 성층권 하부, 약 15~35km(9.3~21.7마일; 49,000~115,000피트)에 위치하지만 두께는 계절과 지역에 따라 다릅니다. 지구 대기의 오존의 약 90%가 성층권에 포함되어 있습니다.
• 전리층 은 태양 복사선에 의해 이온화된 대기의 한 영역입니다. 오로라 를 담당합니다 . 낮에는 50~1,000km(31~621마일; 160,000~3,280,000피트)에 걸쳐 펼쳐지며 중간권, 열권 및 외기권 일부를 포함합니다. 그러나 중간권의 이온화는 밤에는 대부분 중단되므로 오로라는 일반적으로 열권과 하부 외기권에서만 볼 수 있습니다. 전리층은 자기권의 안쪽 가장자리를 형성합니다 . 예를 들어 지구의 무선 전파에 영향을 미치기 때문에 실용적으로 중요합니다.
• 균일 권 과 이질권은 대기 가스가 잘 혼합되어 있는지 여부에 따라 정의됩니다. 표면 기반 균일권에는 대류권, 성층권, 중간권 및 열권의 가장 낮은 부분이 포함되며, 여기서 대기의 화학 조성은 가스가 난류에 의해 혼합되기 때문에 분자량에 따라 달라지지 않습니다. ^[34] 이 비교적 균일한 층은 약 100km(62마일; 330,000피트)에 있는 터보포즈 에서 끝납니다. 이는 FAI 에서 수용한 우주의 바로 가장자리 로 , 중간권에서 약 20km(12마일; 66,000피트) 위에 있습니다.

이 고도 위에는 외기권과 대부분의 열권을 포함하는 이종권이 있습니다. 여기에서 화학적 구성은 고도에 따라 다릅니다. 이는 입자가 서로 충돌하지 않고 이동할 수 있는 거리가 혼합을 일으키는 운동의 크기에 비해 크기 때문입니다. 이를 통해 기체는 분자량에 따라 층을 형성할 수 있으며 산소와 질소와 같은 더 무거운 기체는 이종권의 바닥 근처에만 존재합니다. 이종권의 상부는 거의 완전히 가장 가벼운 원소인 수소로 구성되어 있습니다. ^[35]

• 행성 경계층은 지구 표면에 가장 가까운 대류권의 일부이며 주로 난류 확산을 통해 지구 표면에 직접 영향을 받습니다 . 낮 동안 행성 경계층은 일반적으로 잘 혼합되지만 밤에는 약하거나 간헐적인 혼합으로 안정적으로 층이 형성됩니다. 행성 경계층의 깊이는 맑고 고요한 밤에는 약 100m(330피트)에서 건조한 지역의 오후에는 3,000m(9,800피트) 이상까지 다양합니다.

지구 표면 대기의 평균 온도는 기준에 따라 14°C(57°F; 287K) ^[36] 또는 15°C(59°F; 288K) ^{[37] 입니다. [38] [39] [40]}

해수면에서의 평균 대기압은 국제 표준 대기 에서 101325 파스칼 (760.00  토르 ; 14.6959psi  ; 760.00mmHg  ) 로 정의됩니다. 이는 때때로 표준 대기(atm) 의 단위로 불립니다 . 총 대기 질량은 5.1480×1018kg ⁽ 1.135×1019lb ⁾ 으로 , ^[42] 평균 해수면 기압과 지구의 51007.2메가헥타르 면적에서 유추되는 것보다 약 2.5% 적습니다. 이 부분은 지구의 산악 지형으로 대체됩니다. 대기압은 압력이 측정되는 지점에서 단위 면적 위의 공기의 총 무게입니다. 따라서 기압은 위치와 날씨 에 따라 다릅니다 .

대기 전체 질량이 해수면 밀도(m3당 약 1.2kg)와 동일한 균일한 밀도를 해수면 이상에서 갖는다면 ^, 그것은 8.50km(27,900피트) 고도에서 갑자기 끝날 것입니다.

기압은 실제로 고도에 따라 기하급수적으로 감소하여 5.6km(18,000피트)마다 반으로 떨어지거나 7.64km(25,100피트)마다 1/ e (0.368)의 계수로 떨어집니다(이를 스케일 높이 라고 함 ) -- 약 70km(43마일; 230,000피트)의 고도에서. 그러나 대기는 온도, 분자 구성, 태양 복사 및 중력의 기울기를 고려하는 각 층에 대한 사용자 지정 방정식으로 더 정확하게 모델링됩니다. 100km 이상의 높이에서 대기는 더 이상 잘 혼합되지 않을 수 있습니다. 그러면 각 화학 종은 자체 스케일 높이를 갖습니다.

요약하면 지구 대기의 질량은 대략 다음과 같이 분포됩니다. ^[43]

• 50%는 5.6km(18,000피트) 아래에 있습니다.
• 90%는 16km(52,000피트) 아래에 있습니다.
• 99.99997%는 100km(62마일; 330,000피트) 아래, 카르만 선 입니다. 국제 관례에 따르면, 이는 인간 여행자가 우주인 으로 간주되는 우주의 시작을 나타냅니다 .

비교해 보면, 에베레스트 산 의 정상 은 8,848m(29,029피트)에 달하고, 상업용 항공기는 일반적으로 10~13km(33,000~43,000피트)를 비행하는데, 이 기간 동안 공기의 밀도와 온도가 낮아 연료 효율이 향상됩니다. 기상 관측용 풍선은 30.4km(100,000피트) 이상까지 비행하고, 1963년의 가장 높은 고도 비행인 X-15는 108.0km(354,300피트)까지 비행했습니다.

Kármán 선 위에서도 오로라 와 같은 상당한 대기 효과가 여전히 발생합니다. 이 지역에서 유성이 빛나기 시작하지만, 더 큰 유성은 더 깊이 침투하기 전까지 타지 않을 수 있습니다. HF 무선 전파 에 중요한 지구 전리층 의 여러 층은 100km 아래에서 시작하여 500km를 넘어 확장됩니다. 비교해 보면 국제 우주 정거장 과 우주 왕복선은 일반적으로 전리층의 F 층 내에서 350~400km를 공전하며, 그곳에서 몇 달마다 재부스트가 필요할 만큼 충분한 대기 저항을 받습니다. 그렇지 않으면 궤도 붕괴가 발생하여 지구로 돌아갑니다. 태양 활동에 따라 위성은 최대 700~800km의 고도에서 눈에 띄는 대기 저항을 경험할 수 있습니다.

대기를 온도에 따라 층으로 나누는 것은 위에서 논의했습니다. 해수면에서 시작하여 고도가 높아질수록 온도가 낮아지지만, 이러한 추세의 변화는 11km 이상에서 시작되며, 이 지점에서 온도는 대류권의 나머지 부분을 통과하는 긴 수직 거리에 걸쳐 안정됩니다. 약 20km 이상에서 시작하는 성층권 에서는 이 지역의 다이옥시겐과 오존 가스가 태양 으로부터 상당한 자외선 을 포획하여 오존층 내부가 가열되기 때문에 높이에 따라 온도가 증가합니다 . 고도에 따라 온도가 증가하는 또 다른 영역은 90km 이상의 열권 이라는 적절한 이름을 가진 매우 높은 고도에서 발생합니다 .

일정한 조성을 가진 이상 기체 에서 음속은 온도에만 의존하고 압력이나 밀도에는 의존하지 않기 때문에, 고도에 따른 대기 중 음속은 복잡한 온도 프로파일의 형태를 띠며(오른쪽 그림 참조), 밀도나 압력의 고도 변화를 반영하지 않습니다.

해수면에서 공기의 밀도는 약 1.2kg/m3 ⁽ 1.2g/L, 0.0012g/cm3 ⁾ 입니다 . 밀도는 직접 측정되지 않지만 공기의 상태 방정식( 이상 기체 법칙 의 한 형태)을 사용하여 온도, 압력 및 습도를 측정하여 계산합니다. 대기 밀도는 고도가 증가함에 따라 감소합니다. 이 변화는 기압 공식을 사용하여 대략적으로 모델링할 수 있습니다 . 보다 정교한 모델은 위성의 궤도 붕괴를 예측하는 데 사용됩니다.

대기의 평균 질량은 약 5조(5 × 10¹⁵ ) 톤 또는 지구 질량의 1/1,200,000입니다. 미국 국립 대기 연구 센터 에 따르면 "대기의 총 평균 질량은 5.1480 × 10 수증기에 의한 연간 범위가 1.2 또는 1.5 × 10 ^{인 18kg15kg}  , 표면 압력 또는 수증기 데이터를 사용하는지에 따라 다릅니다. 이전 추정치보다 다소 작습니다. 수증기의 평균 질량은 1.27 × 10^16kg  이고 건조공기량은 5.1352±0.0003 × 10¹⁸  킬로그램."

대기압에서의 공기의 물리적 및 열적 특성 표: ^{[45] [46]}

온도 [ K ]	밀도 [ kg/m 3 ]	비열 [ J/(kg⋅°C) ]	동점도 [ kg/(m⋅s) ]	운동점도 [ m 2 /s ]	열전도도 [ W/(m⋅°C) ]	열 확산율 [ m 2 /s ]	프란틀수[1]	체적탄성률 [ K −1 ]
100	3.601	1 026 .6	6.92 × 10-6 입니다.	1.92 × 10-6 입니다.	0.000 925	2.50 × 10-6 입니다.	0.77	0.01
150	2.3675	1 009 .9	1.03 × 10−5 이다	4.34 × 10-6 (6 승)	0.013 735	5.75 × 10-6 입니다.	0.753	0.006 667
200	1.7684	1 006 .1	1.33 × 10−5 이다	7.49 × 10-6 ( 6 )	0.018 09	1.02 × 10−5 이다	0.738	0.005
250	1.4128	1 005 .3	1.60 × 10−5 이다	1.13 × 10−5 이다	0.022 27	1.57 × 10−5 (1.57 × 10−5 )	0.722	0.004
300	1.1774	1 005 .7	1.85 × 10−5 이다	1.57 × 10−5 (1.57 × 10−5 )	0.026 24	2.22 × 10−5 이다	0.708	0.003 333
350	0.998	1009	2.08 × 10−5 이다	2.08 × 10−5 이다	0.030 03	2.98 × 10−5 이다	0.697	0.002 857
400	0.8826	1014	2.29 × 10−5 (2.29 × 10−5 )	2.59 × 10−5 (2.59 × 10−5 )	0.033 65	3.76 × 10−5 이다	0.689	0.0025
450	0.7833	1 020 .7	2.48 × 10−5 이다	3.17 × 10−5 (3.17 × 10−5 )	0.037 07	4.22 × 10−5 이다	0.683	0.002 222
500	0.7048	1 029 .5	2.67 × 10−5 이다	3.79 × 10−5 (3.79 × 10−5 )	0.040 38	5.56 × 10−5 이다	0.68	0.002
550	0.6423	1 039 .2	2.85 × 10−5 이다	4.43 × 10−5 이다	0.0436	6.53 × 10−5 이다	0.68	0.001 818
600	0.5879	1 055 .1	3.02 × 10−5 이다	5.13 × 10−5 이다	0.046 59	7.51 × 10−5 이다	0.68	0.001 667
650	0.543	1 063 .5	3.18 × 10−5 이다	5.85 × 10−5 이다	0.049 53	8.58 × 10−5 (8.58 × 10−5 )	0.682	0.001 538
700	0.503	1 075 .2	3.33 × 10−5 이다	6.63 × 10−5 (6.63 × 10−5 ) 입니다.	0.0523	9.67 × 10−5 (9.67 × 10−5 )	0.684	0.001 429
750	0.4709	1 085 .6	3.48 × 10−5 이다	7.39 × 10−5 (7.39 × 10−5 )	0.055 09	1.08 × 10-4 (1.08 × 10-4 )	0.686	0.001 333
800	0.4405	1 097 .8	3.63 × 10−5 이다	8.23 × 10−5 이다	0.057 79	1.20 × 10−4 입니다.	0.689	0.001 25
850	0.4149	1 109 .5	3.77 × 10−5 이다	9.08 × 10−5 (9.08 × 10−5 )	0.060 28	1.31 × 10−4 이다	0.692	0.001 176
900	0.3925	1 121.2​	3.90 × 10−5 입니다.	9.93 × 10−5 (9.93 × 10−5 )	0.062 79	1.43 × 10−4 이다	0.696	0.001 111
950	0.3716	1 132 .1	4.02 × 10−5 이다	1.08 × 10-4 (1.08 × 10-4 )	0.065 25	1.55 × 10-4 입니다.	0.699	0.001 053
1000	0.3524	1 141 .7	4.15 × 10−5 이다	1.18 × 10−4 이다	0.067 53	1.68 × 10−4 이다	0.702	0.001
1100	0.3204	1160	4.44 × 10−5 이다	1.39 × 10−4 (1.39 × 10−4 )	0.0732	1.97 × 10−4 이다	0.704	0.000 909
1200	0.2947	1179	4.69 × 10−5 (4.69 × 10−5 )	1.59 × 10−4 이다	0.0782	2.25 × 10−4 이다	0.707	0.000 833
1300	0.2707	1197	4.93 × 10−5 (4.93 × 10−5 )	1.82 × 10−4 이다	0.0837	2.58 × 10−4 이다	0.705	0.000 769
1400	0.2515	1214	5.17 × 10−5 (5.17 × 10−5 )	2.06 × 10−4 이다	0.0891	2.92 × 10−4 이다	0.705	0.000 714
1500	0.2355	1230	5.40 × 10−5 (5.40 × 10−5 )	2.29 × 10−4 이다	0.0946	3.26 × 10−4 이다	0.705	0.000 667
1600	0.2211	1248	5.63 × 10−5 이다	2.55 × 10-4 입니다.	0.1	3.61 × 10−4 이다	0.705	0.000 625
1700	0.2082	1267	5.85 × 10−5 이다	2.81 × 10−4 이다	0.105	3.98 × 10−4 이다	0.705	0.000 588
1800	0.197	1287	6.07 × 10−5 (6.07 × 10−5 )	3.08 × 10−4 입니다.	0.111	4.38 × 10−4 (4.38 × 10−4 )	0.704	0.000 556
1900	0.1858	1309	6.29 × 10−5 (6.29 × 10−5 )	3.39 × 10−4 이다	0.117	4.81 × 10−4 이다	0.704	0.000 526
2000	0.1762	1338	6.50 × 10−5 이다	3.69 × 10−4 이다	0.124	5.26 × 10−4 이다	0.702	0.0005
2100	0.1682	1372	6.72 × 10−5 이다	4.00 × 10−4 입니다.	0.131	5.72 × 10−4 이다	0.7	0.000 476
2200	0.1602	1419	6.93 × 10−5 (6.93 × 10−5 )	4.33 × 10−4 이다	0.139	6.12 × 10−4 이다	0.707	0.000 455
2300	0.1538	1482	7.14 × 10−5 (7.14 × 10−5 )	4.64 × 10−4 이다	0.149	6.54 × 10−4 이다	0.71	0.000 435
2400	0.1458	1574	7.35 × 10−5 이다	5.04 × 10−4 이다	0.161	7.02 × 10−4 이다	0.718	0.000 417
2500	0.1394	1688	7.57 × 10−5 (7.57 × 10−5 )	5.44 × 10−4 이다	0.175	7.44 × 10−4 이다	0.73	0.0004
3000	0.1135	2.726 [ 왜? ]	9.55 × 10−5 (9.55 × 10−5 )	8.41 × 10−4 이다	0.486	1.57 × 10-3 입니다.	0.536	0.000 3333

태양 복사선 (또는 햇빛)은 지구가 태양 으로부터 받는 에너지입니다 . 지구도 우주로 복사선을 방출하지만 인간이 볼 수 없는 더 긴 파장을 방출합니다. 들어오고 방출되는 복사선의 일부는 대기에 의해 흡수되거나 반사됩니다. ^{[47] [48]} 2017년 5월, 백만 마일 떨어진 궤도 위성에서 반짝이는 것처럼 보이는 빛 반짝임이 대기 중의 얼음 결정 에서 반사된 빛 으로 밝혀졌습니다 . ^{[49] [50]}

빛이 지구 대기를 통과할 때, 광자는 산란을 통해 대기와 상호 작용합니다 . 빛이 대기와 상호 작용하지 않으면 직접 복사 라고 하며 태양을 직접 볼 때 보이는 것과 같습니다 . 간접 복사는 대기에서 산란된 빛입니다. 예를 들어, 그림자가 보이지 않는 흐린 날에는 직접 복사가 도달하지 않고 모두 산란됩니다. 또 다른 예로, 레이리 산란 이라는 현상으로 인해 짧은(파란색) 파장이 긴(빨간색) 파장보다 더 쉽게 산란됩니다. 이것이 하늘이 파랗게 보이는 이유입니다. 산란된 파란색 빛이 보이는 것입니다. 이것이 일몰이 빨간색인 이유이기도 합니다. 태양이 지평선에 가깝기 때문에 태양 광선은 눈에 도달하기 전에 평소보다 더 많은 대기를 통과합니다. 많은 파란색 빛이 산란되어 일몰에 빨간색 빛이 남습니다.

다른 분자는 다른 파장의 방사선을 흡수합니다. 예를 들어, O ₂ 와 O _{3 는 300} 나노미터 보다 짧은 파장의 방사선을 거의 모두 흡수합니다 . 물(H ₂ O)은 700nm 이상의 많은 파장을 흡수합니다. 분자가 광자를 흡수하면 분자의 에너지가 증가합니다. 이는 대기를 가열하지만 대기는 아래에서 논의하는 것처럼 방사선을 방출하여 냉각됩니다.

대기 중 가스의 결합된 흡수 스펙트럼은 낮은 불투명도 의 "창"을 남겨 특정 대역의 빛만 투과시킵니다. 광학적 창은 약 300nm( 자외선 -C)에서 인간이 볼 수 있는 범위인 가시광선 스펙트럼 (일반적으로 빛이라고 함)인 약 400~700nm까지 이어지고 적외선 에서 약 1100nm까지 이어집니다. 더 긴 파장에서 일부 적외선과 전파를 투과하는 적외선 및 전파 창도 있습니다 . 예를 들어, 전파 창은 약 1cm에서 약 11m 파장까지 이어집니다.

방출은 흡수의 반대 개념으로, 물체가 복사를 방출하는 것입니다. 물체는 " 흑체 " 방출 곡선에 따라 복사의 양과 파장을 방출하는 경향이 있으므로 더 뜨거운 물체는 더 짧은 파장으로 더 많은 복사를 방출하는 경향이 있습니다. 더 차가운 물체는 더 적은 복사를 방출하고 파장이 더 깁니다. 예를 들어, 태양은 약 6,000K  ( 5,730  °C ; 10,340  °F )이고 복사는 500nm 근처에서 최고조에 이르며 인간의 눈으로 볼 수 있습니다. 지구의 온도는 약 290K(17°C; 62°F)이므로 복사는 10,000nm 근처에서 최고조에 이르며 인간의 눈으로 볼 수 없을 만큼 너무 깁니다.

대기는 온도 때문에 적외선을 방출합니다. 예를 들어, 맑은 밤에 지구 표면은 흐린 밤보다 더 빨리 식습니다. 이는 구름(H ₂ O)이 적외선을 강력하게 흡수하고 방출하기 때문입니다. 또한 이것이 높은 고도에서 밤에 더 추워지는 이유이기도 합니다.

온실 효과는 이 흡수 및 방출 효과와 직접 관련이 있습니다. 대기 중 일부 가스는 적외선을 흡수하고 방출하지만 가시광선 스펙트럼의 햇빛과 상호 작용하지 않습니다. 이러한 것들의 일반적인 예로는 CO ₂ 와 H ₂ O 가 있습니다.

공기의 굴절률 은 1에 가깝지만, 약간 더 큽니다. 굴절률의 체계적인 변화는 긴 광학 경로에서 광선이 구부러지는 결과를 초래할 수 있습니다. 한 가지 예로, 어떤 상황에서는 배에 탄 관찰자가 지평선 바로 너머에 있는 다른 배를 볼 수 있는데 , 이는 빛이 지구 표면의 곡률 과 같은 방향으로 굴절되기 때문입니다 .

공기의 굴절률은 온도에 따라 달라지며 ^[51] 온도 구배가 클 경우 굴절 효과가 발생합니다. 이러한 효과의 예로는 신기루가 있습니다 .

대기 순환 은 대류권을 통한 대규모 공기 이동이며, 지구 주변에 열이 분배되는 수단( 해양 순환 포함 )입니다. 대기 순환의 대규모 구조는 해마다 다르지만, 기본 구조는 지구의 회전 속도와 적도와 극지방 사이의 태양 복사선 차이에 의해 결정되기 때문에 상당히 일정하게 유지됩니다.

초기 지구의 하데스 시대 동안 의 첫 번째 대기는 태양 성운 의 가스 , 주로 수소 와 아마도 현재 가스 행성 ( 목성 과 토성 ) 에서 발견되는 것과 같은 단순한 수소화물 , 특히 수증기 , 메탄 , 암모니아 로 구성되었습니다 . 이 가장 초기 시대에 달을 형성하는 충돌 과 대형 운석 과의 수많은 충돌 로 인해 대기가 가열되어 가장 휘발성이 강한 가스가 밀려났습니다. 특히 테이아 와의 충돌로 지구 맨틀 과 지각 의 많은 부분이 녹아내리고 분출되었으며 상당량의 증기가 방출 되어 결국 냉각되고 응축되어 하데스 시대 말에 바닷물이 되었습니다. ^{[52] : 10}

하데스 말기에 지구 지각이 점점 더 굳어지면서 표면으로의 대류 열 전달이 대부분 차단되어 대기가 냉각되었고, 이로 인해 공기 중의 수증기가 대부분 응축되어 초해양 으로 침전 되었습니다 . 후기 집중 폭격 동안 거대한 소행성 이 도입한 가스로 보완된 화산 활동으로 인한 추가 가스 방출로 이후 의 원생대 대기가 생성되었는데, 이는 주로 질소 와 이산화탄소 , 메탄 및 불활성 가스 로 구성되었습니다 . ^[52] 이산화탄소 배출의 대부분은 물에 용해되어 지각 암석 의 풍화 중에 칼슘 및 마그네슘 과 같은 금속과 반응하여 탄산염을 형성 하여 퇴적물 로 퇴적되었습니다 . 물과 관련된 퇴적물은 38억 년 전까지 거슬러 올라갑니다. ^[53]

약 34억 년 전, 질소는 당시 안정적이었던 "제2 대기"의 주요 구성 요소를 형성했습니다. 생명의 진화 의 영향은 대기 역사에서 비교적 일찍 고려되어야 하는데, 가장 초기의 생명 형태 에 대한 힌트가 35억 년 전에 나타났기 때문입니다. ^[54] 초기 태양이 오늘날보다 30% 낮은 태양 복사선을 방출했다면, 당시 지구가 액체 물과 생명에 충분히 따뜻한 기후를 유지한 방법은 " 희미한 젊은 태양 역설 "로 알려진 수수께끼입니다.

그러나 지질 기록은 지구의 초기 온도 기록 전체 동안 비교적 따뜻한 표면이 지속되었음을 보여줍니다 .약 24억 년 전의 한 차례의 차가운 빙하기를 제외하면 말입니다.후기 신고생대 에는 산소를 함유한 대기가 발달하기 시작했는데, 이는 10억 년 동안의 남조류 광합성 ( 대산소화 사건 참조 )으로 인한 것으로 보이며, 이는 27억 년 전의 스트로마톨라이트 화석 으로 발견되었습니다 .초기 기본 탄소 동위원소( 동위원소 비율)는 현재와 유사한 조건을 강력히 시사하며 탄소 순환 의 근본적인 특징은 40억 년 전에 확립되었음을 시사합니다.

약 21억 5천만 년에서 20억 8천만 년 전의 가봉 의 고대 퇴적물은 지구의 역동적인 산소화 진화에 대한 기록을 제공합니다. 이러한 산소화 변동은 로마군디 탄소 동위원소 이동에 의해 주도되었을 가능성이 높습니다. ^[55]

판구조론 에 의한 대륙 의 끊임없는 재배열은 이산화탄소를 대규모 대륙 탄산염 저장소 로 이동시키고 그곳에서 이동시킴으로써 대기의 장기적인 진화에 영향을 미칩니다 . 대기 중에 자유 산소는 약 24억 년 전 대산소화 사건 동안에야 존재했으며 , 그 출현은 초기 원생대 동안 띠 모양의 철 형성 ( 산소와 반응하여 철 퇴적물을 생성할 수 있는 기질 이 고갈되었음을 나타냄 ) 이 끝나는 것으로 나타납니다 .

이 시기 이전에는 남조류 광합성으로 생성된 산소는 지구 표면의 환원 물질 , 특히 철 , 유황 및 대기 메탄 의 산화 로 쉽게 제거되었을 것입니다 . 산소 생성 속도가 산소를 제거하는 환원제 물질의 가용성을 초과하기 시작할 때까지 자유 산소 분자는 대기에 축적되지 않았습니다. 이 지점은 환원 대기에서 산화 대기 로 의 전환을 의미합니다 . O _2는 10억 년 의 유시니아 기간을 포함하여 원생대 동안 주요 변화를 보였으며 선캄브리아 기 말에 15% 이상의 안정 상태에 도달했습니다 . ^{[58] 더욱 강력한} 진핵 광자영양생물 ( 녹조류 및 홍조류 ) 의 등장은 대기 중으로 더 많은 산소화를 주입했으며, 특히 크리오제니아 전 지구 빙하기가 끝난 후 더욱 그러했습니다.이어서 에디아카 라기 동안 아발론 폭발 이라고 알려진 진화적 복사 사건이 뒤따랐으며 , 이때 복잡한 후생동물 생명체(최초의 자포동물 , 판상동물 및 좌우대칭동물 포함 )가 처음으로 번식했습니다.5억 3,900만 년 전부터 현재까지의 다음 기간은 현생 대이며, 이 시기의 가장 이른 시기 인 캄브리아기 동안 더욱 활발하게 움직이는 후생동물이 나타나기 시작했고 캄브리아기 폭발 이라고 불리는 또 다른 복사 사건에서 빠르게 다양화되었습니다 .캄브리아기 폭발의 운동성 대사는 산소 수치 상승으로 인해 촉진되었습니다.

대기 중 산소량은 지난 6억 년 동안 변동하여 약 2억 8천만 년 전 석탄기 동안 약 30%의 정점에 도달했는데 , 이는 오늘날의 21%보다 상당히 높습니다. 대기의 변화를 지배하는 두 가지 주요 과정은 식물 의 진화 와 탄소 고정 에서의 역할 증가 , 그리고 빠르게 다양화되는 동물 군집 과 식물이 광호흡 과 야간 대사 요구를 위해 산소를 소비하는 것입니다. 황철석 의 분해 와 화산 폭발은 대기 중으로 유황을 방출하고, 이는 반응하여 대기 중 산소를 감소시킵니다. 그러나 화산 폭발은 또한 이산화탄소를 방출하여 육상 및 수생 식물 의 산소 광합성을 촉진할 수 있습니다 . 대기 중 산소량의 변화 원인은 정확히 이해되지 않았습니다. 대기 중 산소가 더 많은 기간은 종종 동물의 발달이 더 빠른 것과 관련이 있었습니다.

대기 오염은 생물체에 해를 끼치거나 불편을 주는 공기 중 화학 물질 , 미립자 또는 생물학적 물질 의 유입입니다 . ^[59] 인간 사회 의 인구 증가 , 산업화 및 자동차화로 인해 지구 대기 중 대기 오염 물질 의 양이 크게 증가하여 스모그 , 산성비 및 오염 관련 질병 과 같은 눈에 띄는 문제가 발생했습니다 . 표면을 유해한 이온화 자외선으로부터 보호하는 성층권 오존층 의 고갈 도 주로 염화 불화탄소 및 기타 오존층 파괴 물질로 인한 대기 오염으로 인해 발생합니다.

1750년 이래로, 특히 산업 혁명 이후의 인간 활동은 다양한 온실 가스 , 가장 중요한 이산화탄소, 메탄 및 아산화질소 의 농도를 증가시켰습니다 . 벌목 및 토지 개발을 통한 삼림 벌채 및 습지 파괴 와 더불어 온실 가스 배출은 지구 ​​온도의 관찰된 상승을 초래했으며 지구 평균 표면 온도는2011년~2020년 10년 동안의 기온은 1850년보다 1.1°C 더 높습니다 ^.[60] 이는 해수면 상승 , 해양 산성화 , 빙하 후퇴 ( 물 안보를 위협함 ), 극심한 기상 현상 및 산불 증가 , 생태계 붕괴 , 야생 동물 대량 사망 등 심각한 환경 영향을 미칠 수 있는 인위적인 기후 변화에 대한 우려를 불러일으켰습니다 .

2015년 10월 19일, NASA는 https://epic.gsfc.nasa.gov/에서 지구의 햇빛이 비치는 면의 일일 이미지를 담은 웹사이트를 시작했습니다. 이 이미지는 Deep Space Climate Observatory (DSCOVR)에서 촬영되었으며 하루 동안 회전하는 지구를 보여줍니다. ^[61]

• Buchan, Alexander (1878). "대기"  . Encyclopædia Britannica . Vol. III (9th ed.). pp. 28–36.
• 현재 대기 및 해양 표면 상태를 보여주는 대화형 세계 지도입니다.