물리학자 토리첼리가 발견한 대기압에 대해서

갈릴레이 갈릴레오의 제자이자 이탈리아의 물리학자 토리첼리가 발견한 대기와 대기압은 어떤 것일까요? 알아봅시다.

 

 

 

 

대기압이란 무엇일까요?

땅 위에는 공기가 가득합니다. 지표 위에 쌓여 있는 이러한 공기를 일컬어 대기라고 부릅니다. 그리고 지구 대기를 누르는 힘을 대기 압력이라고 합니다. 대기 압력을 줄여서 대기압이라고 부릅니다. 지구에 대기압이 있다는 것을 알아낸 사람이 바로 토리첼리입니다. 

 

지하수를 끌어올려 주는 힘의 원천이 지구의 대기압이고, 그것이 미치는 범위가 물은 10.3미터, 수은은 76 센티미터 까지란 걸 토리첼리가 알아냈습니다. 대기가 눌러 주는 이만큼의 힘을 1 기압이라고 정의합니다. 즉, 1 기압은 물기둥 10.3미터, 수은기둥은 76센티미터까지 끌어올려 주는 압력입니다.

 

1 기압 = 물기둥을 10.3미터까지 끌어올리는 압력

         = 수은기둥을 76센티미터까지 끌어올리는 압력

 

대기의 구성

지구 표면을 둘러싸고 있는 공기의 층을 '대기권'이라고 합니다. 대기권이란 대략 지상 1,000킬로미터까지의 공간을 뜻합니다. 공기 입자들은 이 공간 안에서 지구를 에워싸고 있는 것입니다. 공기 입자들은 다양한 원소로 구성되어 있습니다. 이 가운데 질소와 산소가 대부분 차지하고 있습니다. 이 두 원소가 대기 원소의 99퍼센트 가까이 채우고 있으니, 지구는 질소와 산소의 세상이라고 보아도 무방합니다.

 

그리고 아르곤과 이산화탄소가 현격한 비율 차이로 그 뒤를 따르고 있습니다. 지구 대기를 구성하는 대표적인 4개의 원소와 그 분포 비율을 보면 다음과 같습니다.

 

질소 78.1%, 산소 20.9%, 아르곤 0.93%, 이산화탄소 0.03%

 

이 밖에 극히 미량의 비율로 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 이산화질소, 크세논, 오존, 라돈 등이 분포해 있습니다.

그런데 신기한 것은 대기가 이처럼 다양한 기체로 이루어진 혼합물인데도, 지구 어느 지역에서 측정해 보아도 그 비율이 거의 일정하다는 것입니다. 이것은 대류 현상으로 인해 위아래의 공기 입자가 골고루 섞이기 때문입니다.

 

 

대기와 중력

지구에는 여러 종류의 기체가 모여있습니다. 그러나 이런 환경과는 달리, 달에는 공기가 아주 희박합니다.

지구와 달 사이에 이처럼 대기에 차이가 생기는 이유는 중력의 세기에 큰 차이가 있기 때문입니다. 달의 중력은 지구 중력의 6분의 1 수준으로 상당히 미약합니다. 달의 생성 초기에는 다양한 공기 분자들이 가득 분포했으나, 중력이 그다지 강하지 못해서 더는 기체 입자들이 붙어 있지 못하고 우주 공간으로 날아가 버린 것입니다.

 

기체 입자들은 워낙 가벼워서 약간의 들뜬 상태만 만들어 주어도 천방지축으로 날뜁니다. 우리 주위에서 공기를 이런 상태로 만들어 줄 수 있는 게 무엇일까요? 햇빛이 있습니다. 태양 광선을 받은 공기 입자들은 시속 1,000킬로미터 이상의 빠르기로 튀어 오르며 마구 움직여 댄답니다. 이 정도면 공기 입자들이 지구를 벗어나는 데 아무런 문제가 없습니다. 다만, 지구에선 그것을 중력이 막아 주고 있을 뿐이고, 상대적으로 중력의 세기가 약한 달은 그렇게 마구 날뛰는 공기입자들은 잡아 둘 여력이 부족한 것일 뿐입니다. 그래서 달에는 공기가 희박해진 것입니다. 대기는 중력과 밀접하게 연관돼 있습니다.

 

중력은 잡아당기는 힘입니다. 그래서 지구에 있는 물체는 아래쪽으로 끌리는 힘을 받습니다. 그러니 중력은 지표에 가까울수록 큽니다. 지구 대기도 여느 물체와 같이 중력을 받아서 지구 중심 쪽으로 끌립니다. 그렇다면 지구의 대기는 공중보다 땅 쪽에 더 많이 깔려 있을겁니다. 

다시 말해, 고도가 높을수록 대기의 양이 현저히 줄어들 것입니다. 

지구 중력은 고도에 따라서 다르고 지구 대기는 고도가 높아질수록 줄어듭니다. 그래서 중력의 영향 때문에 지구 대기의 99%가 지상 3킬로미터 이내에 모여 있습니다. 지구 대기권은 1,000킬로미터까지이지만 30킬로미터 이상부터는 대기가 거의 존재하지 않는다고 봐도 무방합니다.

 

지구 대기의 대부분은 지상 30킬로미터 이내에 존재한다.

 

대기압의 양산하는 공기기둥의 높이는 30킬로미터까지라고 보아도 무방하다.

 

이렇게 해서 1기압을 정의하는 요소 하나를 더 추가할 수 있게 되었습니다.

 

1기압 = 물기둥을 10.3미터까지 끌어올리는 압력

         = 수은기둥을 76센티미터까지 끌어올리는 압력

         = 지상 30킬로미터까지 쌓여 있는 공기기둥이 내리누르는 압력

 

 

1기압은 1,013밀리바

방송에서 일기예보를 듣거나 신문에서 기상도를 볼 때면, 밀리바라는 단어를 접하게 됩니다. 밀리바는 대기압을 나타내는 단위입니다.

1기압은 1,013밀리바(mb, millibar)와 같습니다.

 

1기압 = 1,013밀리바

 

이런 관계가 어떻게 나온 걸까요? 이에 대해서 알아보겠습니다. 물체가 내리누르는 힘은 이렇게 구합니다.

 

물체의 밀도 X 중력가속도 X 높이 ······ (1)

 

그러므로 76센티미터 높이의 수은기둥이 내리누르는 힘은, (1)에 따르면 이렇게 되겠습니다.

 

수은의 밀도 X 중력가속도 X 76센티미터 ······ (2)

 

단위를 맞춰 (2)에 수은의 밀도와 중력가속도를 대입하고 계산해서 정리하면 1,013밀리바란 결과가 나옵니다.

76센티미터 높이의 수은기둥이 내리누르는 힘이 무엇일까요?

 

1기압입니다. 그래서 1기압은 1,013밀리바가 되는 것입니다.

 

1기압 = 물기둥을 10.3미터까지 끌어올리는 압력

          = 수은기둥을 76센티미터까지 끌어올리는 압력

          = 지상 30킬로미터까지 쌓여 있는 공기기둥이 내리누르는 압력

          = 1,013밀리바

 

대기압을 표시하는 단위에는 파스칼(Pa)과 토르(torr)가 더 있습니다. 기압의 연구에 공헌한 파스칼과 나의 업적을 기리기 위해서 단위에 이름을 붙여 준 것입니다.