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하늘은 온갖 볼거리로 가득 차 있다. 신기루로 불리는 광학적 환영이 높은 산 또는 젖은 도로처럼 보일 때가 있다. 청명한 날씨에는 하늘이 푸르게 보이고 지평선은 우유 빛으로 보인다. 일출과 일몰은 분홍, 빨강, 주황, 자주색으로 하늘을 아름답게 물들인다. 밤하늘은 검은 색이고 별, 달, 행성들만이 빛을 발한다.

밤에는 별이 반짝이고 달은 수시로 크기와 색깔을 바꾸는 것처럼 보인다. 하늘에 보이는 천체들을 이해하기 위해 태양광선이 대기와 어떻게 상호작용을 하여 여러 가지 시각현상을 나타내는지를 자세히 살펴본다. 햇빛은 대기권에 진입하면 흡수되던가, 반사되던가, 산란 또는 투과된다. 

태양에너지에 대한 지상물체의 반응은 그 물체의 색밀도, 구성과 광선의 파장에 좌우된다. 사람은 어떻게 보며 물체는 왜 여러 가지 색으로 보이는가? 빛과 물체간의 상호작용으로 인한 시각효과는 무엇인가? 광선이 대기와 상호작용을 할 때 무엇을 볼 수 있을까?

사람이 빛을 감지하는 것은 전자기파가 눈의망막에 있는 안테나와 같은 말단신경을 자극하기 때문이다. 이 안테나는 간상체와 원뿔체 두 가지 유형으로 되어 있다. 간상체는 가시광의 모든 파장에 반응하여 명암을 식별할 수 있게 한다. 

습윤 대륙기후를 여름 기온에 따라 더 세분할 수 있다. 여름이 고온이고 긴 경우 하계 고온 습윤 대륙기후라 한다. 한낮의 기온은 자주 32도를 넘고 40도 까지 상승하는 경우도 있다. 여름밤은 덥고 습도가 높다. 이러한 계절은 보통 5개월 내지 6개월 간 지속되어 각종 농작물의 성장에 적합한 조건을 제공한다.

겨울에는 바람이 많이 불고 추우며 눈도 많이 온다. 여름이 짧고 그리 덥지 않은 북부의 기후를 긴 하계 저온 습윤 대륙기후로 구분한다. 이 지역의 여름은 서늘할 뿐만 아니라 습도도 낮다. 기온은 간혹 35도를 넘을 때도 있으나 수주일간 더위가 계속되는 예는 드물다.

서리없는 계절은 Dfa 보다 짧아 3~5개월에 그친다. 겨울은 길고 춥고 바람이 많이 분다. 기온이 -30도 이하로 떨어지고 수일간, 길때는 수주일간 -18도 이하에 머무는 일도 종종 있다. 가을은 매우 짧아 여름에 이어 곧장 겨울이 오는일도 종종 있다. 봄도 역시 짧아 특히 북부에서는 늦은 봄까지 눈이 오는 예가 많다.

미국 아이오와 주 데스 모이니스의 Dfa 기후와 캐나다 위니페그의 Dfb 기후를 비교하고 있다. 두 도시 모두 연교차가 크다. 이것은 대륙의 북부 내륙지역에 형성되는 기후의 특징이다.

건조기후는 세계 육지 면적의 약 12%를 차지한다. 이 지역은 아프리카와 남미 서해안, 그리고 호주 내륙의 많은 부분을 포함하고 있다. 뿐만 아니라 건조 기후 지역은 아프리카 북서부에서 중앙아시아까지 뻗어 있다. 북미주에서는 멕시코 북부로부터 미국 남부 내륙과 풍하측 비탈에까지 건조 지역이 미친다. 

북미주의 남부 사막 지대가 건조해진 이유는 연중 대부분 아열대 고기압권에 들어있고 겨울 폭풍계는 이 지역에 진입하기도 전에 세력이 약화되기 때문이다. 

이 지역 내 여러 관측소들이 보고하는 연간 강수량은 13cm 미만이다. 비가 온다고 해도 산발적인 여름 오후 소나기 정도이다. 간혹 소나기가 많이 내려 협곡에 물이 많이 흘러내리는 경우가 있긴 하지만 대개는 비가 땅에 도달하기도 전에 증발하여 구름 밑에 매달리는 꼬리구름을 형성한다.

일반적 생각과는 달리 식물이 전무한 사막은 별로 없다. 얼마 안되긴 하나 사막에 자라는 식물은 간혹 내리는 비에 의존해야 한다. 따라서 사막의 토착 식물은 대부분 장기적 가뭄을 견딜 수 있는 제로파이츠이다. 이런 종류의 식물 가운데 선인장과 우기에 잠깐 모습을 나타ㅐ는 수명이 짧은 식물이 있다.

오염 물질 규제기준을 높이고 천연가스 등 보다 깨끗한 연료를 사용함으로써 대도시의 대기질을 수년 전에 비해 개선시킬 수 있었다. 이피에이가 1987년 규제대상 오염물질의 목록을 작성한 이래 유해 화학물질의 배출량은 착실하게 감소되어 왔다. 그러나 오염된 대기 중의 오존 규제는 아직 숙제로 남아있다. 

오존은 2차 오염 물질이므로 질소산화물, 탄화수소 등 다른 오염 물질의 농도를 통제함으로써 오존 생성에는 기상 조건이 중요한 역할을 한다. 오존은 지상풍이 약하고 침체한 고기압역이 해당지역을 덮고 있는 맑고 더운 여름날에 최고조에 달한다. 이처럼 변수가 작용하므로 연간 오존량 추세는 일정하지 않다.

바람은 오염을 희석시키는 역할을 한다. 대기에 오염물질이 대량 배출됐을 때 이들 오염물질이 주변 대기와 혼합되는 속도는 풍속에 좌우된다. 강풍은 이들 물질을 확산시켜 그 농도를 감소시킨다. 바람이 강할수록 대기는 난류를 형성하고 난류는 맴돌이를 형성하여 오염물질이 주변의 대기와 섞여 희석되게 한다.

반대로 바람이 약하면 오염물질은 흩어지지 않고 농도는 점점 짙어진다. 대기 안정도는 대기의 상승정도를 결정짓는 요소이다. 불안정한 대기는 연직기류를 형성하기 쉽고 반면 안정대기는 대기의 연직운동을 강력하게 저지한다. 따라서 안정 대기로 배출된 연기는 연직으로 섞이지 않고 수평으로 확산되게 마련이다.

토네이도 발생뇌우 내부에서 일어나는 현상에 대해 알려져 있는 정보의 대부분은 도플러를 통해 수집한 것이다. 이 원격감지장비를 탐구하기 전에 우선 악뇌우 내부의 강수가 재래식 레이더에 어떻게 나타나는지를 살펴보자. 5장에서 설명한 것처럼 재래식 레이더는 마이크로파 펄스를 방출하여 이 에너지는 어떤 목표에 충돌하면 그 일부가 산란되어 안테나로 되돌아온다.

강수입자들은 이 마이크로파를 반사하여 안테나로 되돌려 보낼 수 있을 정도로 크다. 그림에서 레이터에 나타난 밝은 부분은 악뇌우 내부의 강수역을 가리킨다. 스크린 왼쪽에 있는 갈고리 모양의 반사부분을 갈고리 에코라 하며 이것은 토네이도 내재 가능성을 말해준다. 만약 토네이도가 형성될 경우 그 위치는 갈고리의 끝부분이다. 

그러나 갈고리 에코를 보이지 않는 토네이도 발생 악뇌우들도 허다하다. 또 갈고리 에코가 나타날 무렵에는 이미 토네이도가 지상에 당도하기 때문에 보다 개선된 토네이도 감지기술이 필요하게 되었다. 이와 같은 필요에서 개발된 것이 도플러이다. 도플러는 뇌우 내부의 강수역을 탐지하고 강수 강도를 측정한다는 점에서는 재래식과 같다.

인공위성은 지구궤도 상에 있는 구름관측소라고 할 수 있다. 기상위성은 지상관측소가 없는 지역상공에 떠 있는 구름의 극히 중요한 사진을 제공해 준다. 지구표면의 70%는 바다로 덮여 있기 때문에 지상에서 구름을 관측할 수 없는 곳이 많다. 기상위성이 도입되기 전에는 태풍 등 심한 폭풍이 주거지역에 위험수준까지 다가오기 전에는 까맣게 모르고 지내는 일이 비일비재했다.

주민들은 사전경고가 없어 코 앞에 닥쳐서야 우왕좌왕 하곤 했다. 그러나 현재는 인공위성 덕분에 태풍이 다가오기 훨씬 이전에 그 위치를 찾아내 그 진로를 정확히 추적할 수 있게 되었다. 일기예보에 활용되는 기상위성에는 두 가지 유형이 있다. 첫 번째가 정지위성, 두번째가 극궤도 위성이다.

정지위성은 지구 상공 약 36,000km 고도에 정지해 특정 지역의 대기상황을 계속 관측할 수 있다. 이 위성은 "실시간" 데이터 시스템을 사용하고 있어 카메라의 촬영과 거의 동시에 지상수신기에 사진을 전송할 수 있다는 점에서 중요하다. 이들 위성의 연속적인 구름사진을 저속 영사기를 돌려보면 기상전선 및 폭풍에 동반하는 구름의 이동, 소산 또는 발달 모습을 볼 수 있다.

그림에서 제트핵의 바람은 서풍인 것처럼 보이나 이는 평균풍향일 뿐 실제로는 제트류가 남북으로 루프 모양을 그리며 이동하는 사행운동을 한다. 또 한대제트는 두개의 제트류로 분리될 수도 있고 심지어는 아열대 제트류와 합류하기도 한다. 그림은 제트류의 루프형 패턴을 보여주고 있다.

이 그림은 1979년 4월 18일 관측된 제트류의 위치를 보여준다. 굵은 화살표는 대기흐름의 패턴과 제트핵을 표시하고 있으며 곡선은 등풍속을 나타낸다. 이 고도에서 바람의 흐름은 등고선과 거의 평행을 이루므로 미국 서부와 동해안 상공에는 저기압골이 형성되고 중부평원지역 상공에는 고기압마루가 형성된다.

여기서 가장 강한 바람은 골에서 일어난다는 점을 유의하라. 강한 바람이 일어나는 구역을 제트 최대역 또는 제트 스트리크라 한다. 제트 최대역은 지상폭풍계를 발달시키고 강화하는 중요한 역할을 한다. 그림에서 LA상공에 형성된 제트류의 중심핵 속에서 이동하는 공기입자가 캐나다로 북상했다가 루프형으로 굴절, 동남쪽으로 진행하다가 궁극적으로 버지니아 해안으로 빠져나가는 것을 볼 수 있다.

레이더는 이것이 개발되기 전에는 관측이 불가능했던 지역에서 폭풍과 강수에 관한 정보를 수집할 수 있게 되었기 때문에 대기과학자들에게 불가결한 장비가 되었다. 대기과학자들은 내과의들이 X선으로 인체내부를 검진하듯 기상레이더로 구름의 내부를 조사할 수 있다. 기본적으로 기상레이더는 짧고 마이크로파 펄스를 송출하는 송신기를 갖추고 있다. 

레이더 에너지가 목표물인 외부 물체를 만날 경우 이 에너지의 작은 일부가 송신기 쪽으로 산란되며 이것이 수신기에 감지된다. 이 때 회귀신호가 증폭되어 스크린에 나타나는데 이것이 목표물의 영상 또는 "에코"인 것이다. 송신에서 수신까지 걸린 시간을 측정해 목표물의 거리를 알아낼 수 있다.

스크린에 나타나는 에코의 밝기는 구름 속 강수 강도와 직접 관계가 있다. 그러므로 레이더 스크린은 강수 지역 뿐 아니라 강도까지 보여준다. 최근에는 레이더 범위 내의 강수 강도를 여러 가지 색으로 보여주는 레이더 영상법도 사용되고 있다. 

1990년대에 들어와서 제2차 세계대전 직후 사용하기 시작한 재래식 레이더 장비를 도플러레이더로 대체하였다. 도플러레이더는 재래식 레이더와 마찬가지로 강수지역은 물론 강수강도를 측정할 수 있다.