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Mixing Ratio 대기화학

대기화학의 첫 포스팅이다. 뚜비는 K모 대학교 지구환경과학과에서 학부를 마쳤고, 대학원에서 대기화학을 전공하였다.
그게 또 인연이 되어 현재 L모 회사에서 CDM(Clean Development Mechanism, 청정개발체제) 프로젝트를 진행하고 있다.
지구온난화니, 기후변화니 많은 사람들이 외치고는 있는데 사실 이런 것들을 잘 이해하는데 대기화학의 기본적인
이론이나 법칙 등을 아는 것은 다소나마 도움이 될 수 있다.

대기화학 카테고리는 이런 내용들에 대해 좀 더 일반인들보다 자세히 알고 싶은 사람들을 위해서 마련하였다.
내용은 최대한 간결하고 읽기 쉬우며 미적분 같은 수식은 최대한 자제하도록 노력할 것이다.
뚜비는 유치원생들조차도 알기쉽게 양자역학이나 상대성 이론을 풀어서 설명할 수 있는 능력을 가장 훌륭한 교습법이라 생각한다.
그러나 과학분야라는 특성상 인문계 출신 사람들이 이해하기 힘들거나, 이해하지 못하는 내용도 분명히 있을 것이다.
최대한 노력은 하겠지만 이런 부분이 중간중간 나오더라도 너그러이 이해해주기 바란다.

첫 포스팅은 아무래도 대기화학이다보니, 공기의 특성에 대해 먼저 아는 것이 순서라 생각한다.
공기의 특성 가운데 여러가지가 있으나 먼저 mixing ratio에 대해 알아보자.



특정 가스 X의 mixing ratio(mole fraction이라고도 함)는 공기 중 X종의 몰비율로 정의된다.
단위는 mole/mole로 정의되는데, 이는 물리적 조건이 같다면, 기체 종에 상관없이 몰비는 체적에 비례하기 때문이다.

예를 들어보겠다. 수소와 질소가 기체상태로 1몰 씩 있다고 가정하자.
이 두 기체들을 273K, 1기압의 조건 (이 조건을 "표준상태"라 한다. 더 궁금하다면 열역학을 공부하기 바란다.) 0에 놔둔다면
이 기체들이 차지하는 체적은 어떻게 될까?
직관적으로 다른 기체이니 두 기체는 서로 다른 체적을 차지하게 될 것이라 생각하기 쉽다. 그러나 사실은 다르다.
이 두 기체는 물리적인 조건이 같기 때문에 똑같은 체적을 가지게 된다. 표준상태에서 기체 1몰은 약 22.4L의 체적을 갖게 된다.
몰(mole)의 정의는 여기서 따로 언급하지 않겠다. 검색엔진 한 번만 돌려보면 무수한 답을 얻을 수 있기 때문이다.

지구 대기의 대부분은 질소와 산소이다. 질소는 대략 78%, 산소는 21% 정도이며, 나머지 1%의 공기는 수많은 trace gas들로
구성되어 있다.


표는 지구대기를 구성하는 주요 성분들의 비율을 나타내고 있다.
trace gas들을 나타내는 단위는 보통 ppmv (part per million volume)이나 ppbv (part per billion volume)을 사용한다.
흔히, 화학에서 쓰는 ppm, ppb와 같은 개념인데 맨 뒤에 붙는 "v"는 공기의 mixing ratio는 화학에서처럼 질량(mass)에
근거하여 계산된 것이 아님을 나타낸다.
언급된 것처럼, 몰비율만 같다면 동일한 물리조건 하에서 다른 기체라 하더라도 같은 체적을 갖는다.
부피에 근거한 비율임을 나타내기 위해 대기과학 분야에서는 단순히 ppm, ppb 보다는 ppmv. ppbv를 일반적으로 더 많이 쓴다.
가끔씩 pptv라는 단위도 나올 때가 있는데, 이는 part per trillion 즉 1조 분의 1이라는 단위이다. 참고하시기 바란다.


참고문헌 : Daniel J. Jacob, 1999. Introduction to Atmospheric Chemistry, Princeton University Press.