4.6 기온 역전층
대류권 내의 기온은 일반적으로 고도가 증가하면서 기온이 하강하는 것이 일반적이다. 그러나 고도가 증가하면서 기온이 상승하는 경우가 있는데, 이를 기온 역전이라 하고 역전이 일어나는 기층을 역전층이라 한다. 역전층은 발생 위치에 따라 지표면에 접해있는접지 역전(surface inversion)과 대기 중의 공중 역전(elevated inversion)으로 구분되며, 생성 고도에 따라 오염물질이나 연기의 확산 형태가 달라진다.
4.6.1 복사 역전
복사 역전(radiation inversion)은 바람이 거의 없는 맑은 날 밤에 주로 발생한다. 낮 동안 태양 복사에 의해 가열되었던 지표면의 열이 일몰 후의 대기 중으로 방사됨으로써, 상층의 기온이 지표면 부근의 냉각된 기온보다 높아서 생기는 현상이다. 고기압권 내 지상 수백 미터 이하에서 흔히 발생하는 복사 역전의 경우, 대기가 안정하기 때문에 오염물질이 확산하지 않고 하층에서 정체되기 쉽다. 일반적으로 복사에 의한 기온 역전층은 일출 후 태양복사열에 의해 지표면이 가열되면서 소멸한다
4.6.2 침강 역전
고기압 영역의 하강기류는 공기 덩이를 단열 압축시켜 기온이 상승하게 된다. 이때 임의 고도를 기준으로 하층의 기온보다 높은 온도의 기층이 형성되는 동시에 공중 역전을 발생시킨다. 이를 침강 역전(subsidence inversion)이라 한다. 침강 역전은 안정한 기층이기 때문에 하층 대기에 대하여 덮게 역할을 하며 오염물질 등의 수직 순환을 억제한다.
4.6.3 전선 역전
한랭전선은 찬 공기가 더운 공기의 하부를 파고들면서 형성되고, 온난전선은 따뜻한 바람이 찬 공기의 상부를 타고 올라가면서 형성된다. 한랭전선과 온난전선 모두 상층의 기온이 하층의 기온보다 높다. 전선 역전(frontal inversion)은 이들 전선이 한 곳에 오랫동안 정체해 있을 경우 전선의 경계면에서 형성되는데, 한랭형 전선 역전은 한랭전선에서, 온난형 전선 역전은 온난전선에서 형성되는 기온의 역전 현상이다.
4.6.4 이류 역전
이류 역전(advection inversion)은 따뜻한 공기가 하층의 찬 공기 위를 이동할 때 생성된다. 따뜻한 공기와 찬 공기의 경계 영역을 중심으로 고도가 높아지면서 기온이 상승하는 현상이며, 산등성이를 넘어오면서 따뜻해진 바람이 풍하측의 상대적으로 찬 대기 위를 불어나 갈 때 잘 형성된다.
4.6.5 난류 역전
지상의 난류는 풍속과 지표면의 거칠기 및 가열 상태 등에 따라 결정된다. 난류가 강하면 강할수록 지상 대기의 혼합이 잘 이뤄지고 혼합층의 높이도 성장한다. 난류 혼합층 내에서는 수증기의 함유량이 균일해지기 때문에 혼합 전과 후의 수직 기온분포는 다르게 나타난다. 즉 하부의 기온은 이전보다 상승하고 상부의 기온은 이전보다 하강하여 건조 단열 감률에 가까워진다. 이때 난류 혼합층의 상단과 인접된 전이층에서 발생하는 기온 역전이 난류 역전(turbulence inversion)이다.
4.7 대기의 안정도와 연기 확산
공장의 연돌에서 지속해서 배출되는 연기의 확산 형태는 대기의 안정도와 바람의 수직분포에 의해 결정된다. 역으로 연기의 확산 형태를 보고 기온과 바람의 수직분포를 판단할 수 있다.
4.7.1 전 층 안정 대기
고기압으로 맑은 날 야간에 복사 역전층이 형성될 때 발생한다. 주위 대기의 기온 감률이 건조 단열 감률보다 적은 경우 대기의 상태는 안정적이고, 전 기층에서 매우 약한 바람이 분다. 이러한 상태에서 연기는 부채형(fanning type)으로 확산하고, 오염원의 수직 확산 폭은 미미하다.
4.7.2 전 층 불안정 대기
주위 대기의 기온감률이 건조 단열 감률보다 큰 경우 대기의 상태는 불안정하고, 고도가 상승함에 따라 풍속이 증가하여 강풍이 분다. 이러한 상태에서 연기는 파상형 또는 환상형(looping type)으로 확산하고, 수직 혼합이 활발하기 때문에 풍하 측이 지상을 포함한 전층에서 오염농도가 증가하게 된다.
4.7.3. 중립 대기
주위 대기의 기온감률이 건조 단열 감률 같은 경우 대기의 상태는 중립적이고, 바람은 강풍과 약풍의 중간 정도로 분다. 이러한 상태에서 연기는 원추형(coning type)으로 확산하고, 오염의 확산은 약한 난류 상태에서 원추 상태로 균일하게 이루어지나 지표 가까이 도달하지는 않는다.
4.7.4 하층 불안정 대기
아침에 야간 복사 역전층의 하층부터 점차 소멸 하여가는 과정에서 발생한다. 지표면의 가열로 기온감률이 건조 단열 감률보다 큰 경우 하층 대기의 상태는 불안정하고 상층 대기는 안정한 경우이다. 바람은 하층에서 강풍, 상층에서 약풍이 분다. 이러한 상태에서 연기의 확산은 훈증형(fumigation type)으로 역전층 하부에 제한되고, 오염물질의 경우 지표면에서 일시적으로 농도가 증가하는 경우가 있다.
4.7.5 상층 불안정 대기
하층은 역전층으로 안정하고 상층은 불안정한 경우이다. 바람은 하층에서 약풍, 상층에서 강풍이 분다. 이러한 상태에서 연기의 확산은 상승형 또는 지붕형(lofting type)으로 역전층 고도 위로 제한되기 때문에 오염의 확산도 이에 따른다.
4.7.6 중간층 불안정 대기
침강 역전 또는 전선 역전이 상층에 위치하고 하층에 복사 역전이 있을 때 발생한다. 상층과 하층은 역전층으로 안정하고 두 역전층 사이에 불안정한 층이 존재하는 경우이다. 바람은 상층과 하층에서 약풍, 중간층에서 강풍이 분다. 이러한 상태에서 연기는 구속형(trapping type)으로 두 역전층 사이로만 확산한다.
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