대기의 성분과 역할

질소는 대기를 구성하는 가장 풍부한 기체로, 부피 기준 약 78%를 차지한다. 분자식은 N₂이며, 두 개의 질소 원자가 삼중 결합으로 강하게 결합된 형태이다. 이 삼중 결합은 매우 안정적이어서, 질소는 일반적인 조건에서 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는 비활성 기체의 성질을 보인다.

질소의 주요 역할은 대기의 압력을 유지하고 산소의 농도를 희석하는 것이다. 순수한 산소 환경에서는 물질의 연소가 매우 격렬하게 일어나기 때문에, 질소가 존재함으로써 자연적인 화재 발생 가능성이 크게 줄어든다. 또한, 질소는 단백질과 DNA 등 생명체의 필수 구성 요소이며, 질소 순환을 통해 토양과 생태계로 이동한다. 대기 중의 질소는 질소 고정이라는 과정을 통해 식물이 이용할 수 있는 형태로 전환된다[1].

산업적으로는 질소의 안정적인 성질을 이용하여 식품 포장에서의 산화 방지, 전자 부품 제조, 그리고 암모니아 합성의 원료 등 다양한 용도로 사용된다. 대기 중 질소의 농도는 매우 일정하게 유지되지만, 농업 활동에서의 비료 사용이나 화석 연료 연소 등 인간 활동에 의해 질소 순환이 크게 변형되고 있다.

질소 다음으로 두 번째로 많은 비율을 차지하는 산소는 지구 대기의 약 21%를 구성한다. 이는 주로 광합성 과정을 통해 생성되며, 지구상 생명체의 호흡에 필수적인 역할을 한다.

산소는 대부분 이원자 분자(O₂) 형태로 존재하며, 고층 대기에서는 자외선에 의해 오존(O₃)으로 변환되기도 한다. 이 오존은 오존층을 형성하여 유해한 자외선을 흡수하는 중요한 기능을 담당한다[2]. 산소는 또한 연소 현상에 필수적이어서, 자연적인 산불이나 인간의 에너지 이용에 있어서 핵심적인 요소이다.

대기 중 산소 농도는 장기적으로 매우 안정적으로 유지되어 왔으나, 이는 광합성을 하는 생물(주로 식물과 해양 플랑크톤)의 활동과 호흡 및 분해 과정, 그리고 암석의 풍화 작용 등이 복잡한 균형을 이루고 있기 때문이다. 지질 시대를 통해 산소 농도는 변동했으며, 특히 고생대에 현대 수준에 근접한 농도로 증가한 것은 대형 육상 식물의 출현과 관련이 있다.

아르곤은 대기를 구성하는 주요 기체 중 하나로, 부피 기준 약 0.93%를 차지하는 세 번째로 많은 성분이다. 화학 기호는 Ar이며, 비활성 기체에 속한다. 이는 다른 원소와 화학 반응을 거의 일으키지 않는 안정적인 성질을 가졌음을 의미한다.

아르곤은 1894년 존 윌리엄 스트럿(레이리 경)과 윌리엄 램지에 의해 공기 중에서 발견되었다[3]. 그들은 공기 중의 질소를 제거한 후 남은 기체에서 새로운 원소를 확인했으며, 그리스어로 '게으르다'는 뜻의 'argos'에서 이름을 따왔다.

아르곤은 공업적으로 공기를 액화시킨 후 분별 증류하는 방법으로 대량 생산된다. 주요 용도는 다음과 같다.

대기 중 아르곤은 방사성 동위원소인 칼륨-40이 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 대부분을 차지한다. 지구 대기 중 아르곤의 비율은 매우 일정하게 유지되며, 생물학적 순환이나 인간 활동의 직접적인 영향을 거의 받지 않는다.

이산화탄소는 대기 중 약 0.04%를 차지하는 미량 기체이지만, 지구의 열수지와 생명 활동에 매우 중요한 역할을 한다. 화학식은 CO₂이며, 무색무취의 기체다. 주로 화석 연료의 연소, 호흡, 화산 활동, 해양 방출 등을 통해 대기 중으로 방출된다. 반면 광합성, 해양 흡수 등에 의해 제거되는 순환 과정을 거친다.

이산화탄소는 강력한 온실 기체로, 지표면에서 방출되는 적외선 복사열을 흡수하고 다시 방출하여 대기를 가열하는 온실 효과의 주요 원인 물질이다. 자연적인 농도는 지구 표면의 평균 온도를 생명체가 살기에 적합한 수준으로 유지하는 데 기여한다. 그러나 산업 혁명 이후 인간 활동으로 인한 배출이 급격히 증가하면서 대기 중 농도가 상승했고, 이는 지구 온난화와 기후 변화를 촉진하는 핵심 요인으로 작용하고 있다.

이산화탄소는 또한 해수에 용해되어 탄산염 시스템의 일부가 되며, 이 과정은 대기 중 농도를 조절하는 중요한 완충 역할을 한다. 그러나 과도한 CO₂의 해양 흡수는 해수의 pH를 낮추어 해양 산성화를 일으키며, 이는 산호초와 패류 등 석회화 생물에 심각한 위협이 된다. 따라서 대기 중 이산화탄소의 농도 변화는 기후 시스템과 생태계 건강을 이해하는 데 있어 가장 중요한 지표 중 하나로 간주된다.

대기 중에는 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 외에도 매우 적은 양으로 존재하지만 중요한 역할을 하는 여러 가지 미량 기체가 포함되어 있다. 이들의 농도는 매우 낮지만, 지구의 기후와 생명체에 지대한 영향을 미친다.

대표적인 미량 기체로는 오존(O₃), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O), 염화불화탄소(CFCs) 등이 있다. 오존은 주로 성층권에 집중되어 태양의 유해한 자외선을 흡수하여 생명체를 보호한다. 메탄과 아산화질소, 염화불화탄소는 강력한 온실 기체로, 대기 중 열을 가두는 역할을 하여 지구 온난화에 기여한다. 메탄은 주로 습지, 축산, 화석 연료 채굴 과정에서 방출된다.

이 외에도 네온(Ne), 헬륨(He), 크립톤(Kr), 제논(Xe)과 같은 비활성 기체들이 극미량 존재한다. 이들은 화학적으로 불활성이며, 현재까지 알려진 바로는 대기의 열적 성질이나 생명 활동에 직접적인 영향을 미치지 않는다. 그러나 그 존재 비율은 지구 대기의 진화 역사를 연구하는 데 중요한 단서를 제공한다.

대류권은 지표면에 직접 접촉하는 대기의 가장 낮은 층이다. 대기의 총 질량 약 75~80%가 이 층에 집중되어 있으며, 기상 현상의 대부분이 여기서 발생한다. 대류권의 두께는 적도 지역에서 약 17km, 극 지역에서는 약 8km로, 계절과 위도에 따라 변한다. 이 층의 가장 큰 특징은 고도가 증가함에 따라 기온이 감소한다는 점이다. 평균적으로 고도가 1km 올라갈 때마다 기온은 약 6.5°C 하강하는데, 이를 단열 감률이라고 한다.

이러한 수직 방향의 온도 차이는 공기의 상하 운동, 즉 대류를 촉진한다. 따뜻하고 가벼운 공기는 상승하고, 차갑고 무거운 공기는 하강하는 이러한 순환은 열과 수증기의 수직 이동을 가능하게 한다. 이 과정에서 수증기가 응결하여 구름이 생성되고, 강수가 일어난다. 따라서 비, 눈, 구름, 번개, 바람 등 우리가 일상적으로 경험하는 모든 기상 현상은 거의 대부분 대류권 내에서 일어난다.

대류권의 상한 경계를 대류권계면이라고 부른다. 이 경계에서는 기온 하강이 멈추고, 기온이 일정하게 유지되거나 오히려 증가하는 영역이 시작된다. 대류권계면의 높이는 중위도 지역에서는 약 11km, 적도 지역에서는 더 높다. 이 층은 항공기가 주로 비행하는 고도이기도 하다.

성층권은 지표면으로부터 약 10~50km 고도에 위치하는 대기층이다. 이 층의 하부는 대류권과 접하며, 그 경계를 성층권권계면이라고 부른다. 성층권의 가장 큰 특징은 고도가 증가함에 따라 기온이 상승하는 역전층 현상이 나타난다는 점이다. 이는 성층권에 존재하는 오존층이 태양의 자외선을 흡수하여 열을 방출하기 때문이다.

성층권 내부의 공기는 매우 건조하고 수직 운동이 거의 없어 안정된 상태를 유지한다. 이로 인해 대류권에서 발생하는 기상 현상은 이 층까지 거의 영향을 미치지 않으며, 구름이 거의 형성되지 않는다. 이러한 안정된 환경 덕분에 장거리 여객기의 비행 고도는 주로 성층권 하부에서 이루어진다.

성층권의 중심적인 역할은 지구 생명체를 해로운 자외선으로부터 보호하는 것이다. 약 20~30km 고도에 집중된 오존층은 태양으로부터 방사되는 자외선, 특히 자외선 B를 효과적으로 흡수한다. 이 과정에서 오존 분자가 분해되고 재결합되며 열이 발생하여 성층권의 온도 상승을 유도한다.

성층권의 기온 분포는 다음과 같다.

성층권 상부의 경계는 약 50km 고도의 성층권권계면으로, 그 위로는 기온이 다시 하강하는 중간권이 시작된다.

중간권은 지표면으로부터 약 50km에서 80~85km 사이에 위치하는 대기층이다. 아래의 성층권과 위의 열권 사이에 자리 잡고 있으며, 고도가 증가함에 따라 기온이 하락하는 특징을 보인다. 중간권의 최저 기온은 약 -90°C에 달하며, 이는 지구 대기 중 가장 낮은 기온으로 여겨진다.

이 기온 하락은 중간권이 오존과 같은 태양 복사 에너지를 흡수하는 물질이 거의 없기 때문이다. 대신 이 층에서는 대류 현상이 활발히 일어나며, 이로 인해 녘노을이나 야광운과 같은 특수한 광학 현상이 관측되기도 한다. 특히 여름 극지방의 중간권 상부에서는 매우 드문 중간권 구름(녘노을 구름)이 형성된다.

중간권의 기압은 매우 낮아 지표 기압의 약 1/1000 수준에 불과하다. 이 층은 대부분의 유성이 빛의 줄기를 남기며 타서 소멸되는 영역이기도 하다. 대기 입자와의 마찰로 인해 유성이 가열되어 빛을 발하는 현상, 즉 유성 현상이 주로 중간권에서 관찰된다.

열권은 중간권 상부에서 약 80~85 km부터 시작하여 약 500~1,000 km 높이까지 펼쳐진 대기의 최상층이다. 이 구간은 대기 온도가 고도가 증가함에 따라 급격히 상승하는 특징을 보인다. 열권의 하부 경계인 열권저면에서는 온도가 약 -90°C에 이르지만, 상부로 갈수록 태양의 강한 자외선과 엑스선을 흡수함에 따라 온도가 1,500°C 이상까지 올라갈 수 있다. 그러나 공기 분자 밀도가 극히 낮아, 이 높은 온도가 우리가 느끼는 열과 같은 의미는 아니다.

열권에서 일어나는 주요 현상으로는 오로라가 있다. 태양에서 방출된 고에너지 입자들이 지구의 자기장에 이끌려 극지방의 열권으로 진입하면, 대기 중의 산소나 질소 원자와 충돌하여 빛을 내는데, 이를 오로라라고 한다. 또한, 이 층은 전리층의 주요 부분을 형성한다. 태양 복사 에너지에 의해 기체 분자들이 전자와 양이온으로 분리되는 전리 현상이 활발히 일어나, 전파를 반사하는 역할을 한다.

열권의 구성과 상태는 태양 활동의 영향을 매우 크게 받는다. 태양 활동이 활발한 시기에는 더 많은 에너지가 유입되어 열권의 온도와 팽창 정도가 증가하며, 인공위성에 작용하는 대기 저항도 변동한다. 열권 이상의 고도에서는 분자 간 평균 자유 행로가 매우 길어져, 기체 입자들이 지구 중력장을 완전히 벗어날 수 있는 영역인 산란권으로 점차 넘어간다.

대기는 지구상 생명체의 존재와 지속에 필수적인 여러 기능을 수행한다. 가장 기본적인 기능은 호흡에 필요한 산소를 제공하는 것이다. 대부분의 동물과 많은 미생물은 세포 호흡을 통해 산소를 사용하여 음식물에서 에너지를 얻는다. 식물은 광합성 과정에서 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하여 이 순환을 유지한다.

대기는 또한 지표를 유해한 우주선과 소행성 충돌로부터 보호한다. 대기권에 진입하는 작은 유성체는 공기 분자와의 마찰로 대부분 타버리며, 이는 유성으로 관측된다. 더 큰 충격으로부터는 대기권 자체가 완충 역할을 한다. 또한 대기권은 생명에 치명적인 수준의 자외선을 흡수하는 오존층을 포함하고 있다.

생명체의 구성 요소를 운반하는 매개체 역할도 한다. 질소는 단백질과 DNA의 주요 구성 성분이지만, 대부분의 생물은 대기 중의 기체 상태 질소를 직접 이용할 수 없다. 질소 고정 미생물과 번개 방전 등을 통해 질소가 화합물 형태로 전환되어 생태계 순환에 들어간다. 수증기의 순환은 강수를 통해 전 지구에 담수를 공급하는 근본적인 과정이다.

대기는 지구의 기후를 안정적으로 유지하는 핵심적인 조절 장치 역할을 한다. 이 기능은 주로 태양 복사 에너지의 흡수, 반사, 재분배 과정과 온실 효과를 통해 이루어진다. 대기는 태양으로부터 들어오는 짧은 파장의 복사 에너지 중 일부를 반사하고, 지표면에서 방출되는 긴 파장의 적외선을 흡수하여 다시 지표로 되돌려 보낸다. 이 과정 없이 지구의 평균 기온은 약 -18°C에 불과할 것이나, 실제 평균 기온은 약 15°C로, 약 33°C의 온난화 효과를 만들어낸다[7].

대기의 기후 조절 기능은 열의 수평적·수직적 이동을 통해서도 이루어진다. 적도와 극지방 사이의 큰 온도 차이는 대기 순환과 해양 순환을 일으키는 원동력이 된다. 이러한 대규모 순환은 과도한 열이 한 지역에 집중되는 것을 방지하고, 전 지구적으로 열을 분산시킨다. 예를 들어, 적도 무풍대에서 상승한 공기는 고위도로 이동하며 열을 수송하고, 편서풍과 무역풍은 일정한 기류를 형성하여 지역적 기후 패턴을 결정짓는다.

또한, 대기 중의 수증기와 구름은 기후 조절에 중요한 변수로 작용한다. 구름은 태양 복사를 반사하여 지표를 냉각시키는 동시에, 적외선을 흡수하여 보온 효과를 내기도 한다. 이 복잡한 상호작용의 균형은 지구의 알베도와 에너지 수지를 결정하며, 결과적으로 기후 시스템의 안정성을 좌우한다.

성층권에 위치한 오존층은 태양으로부터 방출되는 유해한 자외선을 흡수하는 중요한 역할을 담당한다. 태양 복사 에너지 중 자외선은 파장에 따라 UVA, UVB, UVC로 구분되며, 특히 생명체에 치명적인 단파장의 UVC와 대부분의 UVB는 오존층에 의해 거의 완전히 차단된다[8].

이러한 차단 기능이 없으면 지표면에 도달하는 자외선 양이 급격히 증가하여 생태계에 심각한 영향을 미친다. 인간에게는 피부암, 백내장, 면역 기능 저하 등의 건강 위험이 크게 높아진다. 또한 식물의 광합성 과정이 방해받고, 해양 생물 특히 플랑크톤과 어린 물고기의 생존율이 떨어져 생물 다양성과 생태계의 균형이 붕괴될 수 있다.

오존층 파괴 현상은 주로 염화불화탄소(CFCs)와 같은 인공 화학물질에 의해 발생하며, 이는 대기의 자외선 차단 기능을 약화시키는 주요 원인이다. 1980년대 남극 상공에서 발견된 오존홀은 이 문제의 심각성을 일깨웠고, 이는 몬트리올 의정서와 같은 국제적 규제 협약을 촉발하는 계기가 되었다.

대기는 지구 표면에서 발생하는 물질과 에너지를 수평 및 수직 방향으로 이동시키는 중요한 운송 매체 역할을 한다. 이 과정은 바람을 주요 동력으로 하여, 열과 수증기, 꽃가루, 포자, 미세 먼지, 오염 물질, 심지어는 생물의 종자까지 먼 거리로 이동시킨다. 예를 들어, 사하라 사막의 모래 먼지는 무역풍을 타고 대서양을 건너 아메리카 대륙까지 도달하여, 그 지역 토양의 미네랄 공급원이 되기도 한다[9].

확산 기능은 주로 공기 중 기체들의 혼합과 관련이 있다. 농도가 높은 지역에서 낮은 지역으로 기체가 퍼져 나가 균일한 농도를 유지하려는 성질을 활용한다. 이는 자연적으로 발생하는 광화학 스모그와 같은 오염 물질의 희석을 돕지만, 동시에 오염원이 없는 지역까지 오염을 확산시키는 부정적 측면도 있다. 대기의 확산 능력은 대기 안정도와 풍속에 크게 의존한다. 안정한 대기와 약한 바람은 확산을 억제하여 오염 농도를 높이는 반면, 불안정한 대기와 강한 바람은 오염물을 빠르게 희석시킨다.

운송과 확산 기능은 글로벌 물질 순환의 핵심 고리이다. 다음 표는 대기가 운반하는 주요 물질과 그 영향의 예를 보여준다.

이러한 기능은 기상 현상과 깊이 연관되어 있다. 저기압과 고기압 시스템은 대규모 공기 덩어리의 이동을 주도하며, 제트 기류는 지구를 가로지르는 초고속 공기 흐름으로서 빠른 운송 경로를 제공한다. 따라서 대기의 운송 및 확산 기능은 단순한 물리적 현상을 넘어, 지구의 생태계와 기후 시스템을 연결하는 필수적인 과정이다.

온실 효과는 지구 대기가 태양 복사 에너지를 가두어 지표면을 따뜻하게 유지하는 자연 현상이다. 태양으로부터의 짧은 파장의 복사 에너지는 대기를 통과하여 지표를 데우고, 데워진 지표는 다시 긴 파장의 적외선을 방출한다. 대기 중의 온실 기체인 이산화탄소, 메테인, 아산화질소, 수증기 등은 이 적외선을 흡수하여 다시 지표 방향으로 재복사한다. 이 과정이 없었다면 지구의 평균 기온은 약 -18°C 정도로 생명체가 살기 어려운 환경이 될 것이다[10].

산업 혁명 이후 인간 활동으로 인해 대기 중 온실 기체 농도가 급격히 증가하면서 자연적인 온실 효과가 강화되었다. 이로 인해 지구 시스템이 흡수하는 에너지가 방출되는 에너지보다 많아져 지구의 평균 기온이 상승하는 현상을 지구 온난화라고 한다. 지구 온난화는 단순한 기온 상승을 넘어 전 지구적 기후 시스템에 광범위한 변화를 초래하며, 이를 통틀어 기후 변화라고 부른다.

기후 변화의 주요 영향은 다음과 같다.

이러한 변화를 완화하기 위한 국제적 노력의 일환으로 유엔 기후 변화 협약과 그 이행 수단인 교토 의정서, 파리 협정이 체결되었다. 이 협정들은 주로 화석 연료 사용 감소, 재생 에너지로의 전환, 에너지 효율 향상, 산림 보호 등을 통해 온실 기체 배출을 줄이는 것을 목표로 한다.

오존층은 지표면으로부터 약 10~50km 상공의 성층권에 위치하며, 태양에서 방출되는 유해한 자외선을 흡수하는 중요한 역할을 한다. 특히 200~315nm 파장대의 자외선 B(UV-B)를 효과적으로 차단하여 지구상의 생명체를 보호한다[11].

오존층 파괴의 주요 원인은 인간이 만들어낸 화학물질, 특히 염화불화탄소(CFCs)와 할론(Halon)이다. 이 물질들은 냉장고 냉매나 에어로졸 추진제, 소화기 등에 널리 사용되었다. 이들 물질은 대기 중으로 방출되어 성층권까지 상승하면 강한 자외선에 의해 분해되며, 염소(Cl)나 브롬(Br) 원자를 방출한다. 이 방출된 원자들은 촉매 역할을 하여 다량의 오존(O₃) 분자를 연속적으로 파괴하는 반응을 일으킨다.

1980년대 남극 상공에서 매년 봄마다 관측되기 시작한 오존홀은 이 문제가 전 지구적 위기임을 보여주었다. 이에 국제사회는 1987년 몬트리올 의정서를 채택하여 오존층 파괴 물질의 생산과 사용을 단계적으로 금지했다. 그 결과, 대기 중 오존층 파괴 물질의 농도는 서서히 감소하고 있으며, 오존층도 점차 회복될 것으로 예측되고 있다[12].

스모그는 연기와 안개를 합친 용어로, 대기 중의 오염 물질이 햇빛과 반응하여 생성된 갈색 또는 회색의 안개 같은 현상이다. 주로 질소 산화물과 휘발성 유기 화합물이 태양광의 자외선과 광화학 반응을 일으켜 오존과 같은 2차 오염 물질을 생성하면서 발생한다. 이는 호흡기 질환을 유발하고 시야를 저해하며, 식물 생장에도 악영향을 미친다. 스모그는 자동차 배기가스와 산업 활동이 활발한 대도시에서 특히 심각하게 나타난다.

산성비는 이산화황과 질소 산화물 같은 대기 오염 물질이 대기 중의 수증기와 반응하여 황산이나 질산을 형성하고, 이들이 강수에 섞여 지표로 떨어지는 현상을 말한다. 이러한 오염 물질은 화석 연료의 연소 과정에서 주로 배출된다. 산성비는 호수와 강을 산성화시켜 수생 생태계를 파괴하고, 토양의 영양분을 씻어내어 산림을 황폐화시킨다. 또한 건축물과 기념비의 부식을 가속화한다.

두 문제는 공통적으로 인간의 산업 활동에서 비롯되며, 그 영향은 국경을 초월한다. 예를 들어, 한 지역에서 배출된 오염 물질이 대기 흐름을 타고 멀리 이동하여 다른 지역에 산성비를 내리게 할 수 있다. 이에 대한 대응으로 탈황 설비 설치, 자동차 배기가스 규제, 청정 에너지 전환 등의 정책이 시행되고 있다.

기상 관측은 대기의 상태와 변화를 측정하고 기록하는 활동이다. 이는 일기예보, 기후 연구, 항공 안전, 농업, 재난 예방 등 다양한 분야에 필수적인 기초 자료를 제공한다.

기상 관측은 관측 위치에 따라 지상 관측과 고층 관측으로 구분된다. 지상 관측은 전 세계에 분포한 기상관측소에서 이루어지며, 기온, 기압, 습도, 풍향, 풍속, 강수량, 일조 시간, 운량 등을 측정한다. 주요 관측 장비로는 온도계, 기압계, 습도계, 풍향풍속계, 강수량계, 일조계 등이 있다. 특히 기압은 수은 기압계나 아네로이드 기압계로 측정하며, 풍속은 풍속계나 초음파 풍속계를 통해 확인한다.

고층 관측은 대기의 수직 구조를 파악하기 위해 수행된다. 전통적으로는 라디오존데를 기구에 매달아 상공으로 올려보내며, 상승 과정에서 기온, 기압, 습도, 풍향, 풍속 데이터를 무선으로 지상에 전송한다. 최근에는 윈드프로파일러나 기상 레이더와 같은 원격 탐사 장비를 활용하여 연속적으로 고층 바람이나 강수 정보를 얻기도 한다. 이러한 고층 자료는 일기예보 모델의 중요한 입력값이 된다.

자동화된 관측 시스템의 발전으로 관측의 빈도와 정확도는 크게 향상되었다. 자동기상관측장비(AWS)는 사람의 개입 없이 정해진 시간 간격으로 데이터를 수집하여 전송한다. 또한, 기상 레이더는 강수 지역의 위치, 강도, 이동 경로를 실시간으로 탐지하고, 기상 위성은 전 지구적인 구름 패턴, 해수면 온도, 대기 중 수증기 분포 등을 촬영한다. 이러한 다양한 관측 자료는 수치예보 모델에 동화되어 보다 정확한 예보를 가능하게 한다.

인공위성을 이용한 대기 관측은 지상 관측망의 공백 지역을 채우고, 전 지구적이고 연속적인 데이터를 제공하는 핵심적인 방법이다. 기상 위성은 주로 정지 궤도와 극궤도에 배치되어 각기 다른 장점을 지닌다. 정지 기상 위성은 지구의 자전 주기와 동기화된 궤도에서 특정 지역을 24시간 내내 관측할 수 있어 태풍이나 메소스케일 대류 시스템과 같은 빠르게 변화하는 기상 현상을 감시하는 데 유리하다. 반면, 극궤도 위성은 지구를 남북 방향으로 회전하며 하루에 지구 전체를 1~2번 촬영하여 더 높은 공간 해상도의 자료를 제공하며, 대기 온도와 습도의 수직 프로파일, 해수면 온도, 오존 총량 등을 측정하는 데 주로 활용된다.

위성은 가시광선, 적외선, 마이크로파 등 다양한 전자기파 파장 대역을 감지하여 대기의 상태를 간접적으로 측정한다. 예를 들어, 적외선 센서는 구름 상부의 온도나 지표면 온도를 측정하여 구름의 높이와 열적 특성을 파악하는 데 사용된다. 마이크로파 센서는 구름을 투과할 수 있어 강수 강도나 해상의 바람속도를 측정할 수 있다. 또한, 특정 기체가 흡수하는 파장을 관측함으로써 이산화탄소, 메테인, 일산화질소 등의 온실 기체 농도 분포를 전 지구적으로 모니터링할 수 있다.

위성 관측 자료는 수치예보 모델의 초기 조건으로 동화되어 예보 정확도를 획기적으로 높였으며, 기후 변화 연구, 대기 화학 모니터링, 재해 감시 등 다양한 분야에 필수적인 정보를 제공한다. 최근에는 여러 위성의 자료를 융합하고, 인공지능 기법을 적용하여 관측 자료의 품질과 활용도를 더욱 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.

대기 모델링은 대기과학의 핵심 연구 방법 중 하나로, 수학적 방정식과 컴퓨터를 이용하여 대기의 물리적, 화학적 과정을 시뮬레이션하고 미래의 상태를 예측하는 것을 말한다. 이 모델들은 유체역학 방정식, 열역학 법칙, 복사전달 이론 등을 기반으로 구축된다. 모델의 복잡도는 단순한 개념적 모델부터 전 지구를 3차원 격자로 나누어 계산하는 수치예보모델까지 다양하다.

대기 모델링의 주요 응용 분야는 일기예보와 기후변화 전망이다. 단기 일기예보 모델은 현재의 기상관측 자료를 초기 조건으로 입력받아 몇 시간에서 며칠 후의 기압, 바람, 강수, 기온 등을 예측한다. 한편, 기후 모델은 수십 년에서 수백 년에 걸친 대기와 해양, 빙권, 육지의 상호작용을 시뮬레이션하여 온실가스 증가에 따른 장기적인 기후 변화의 영향을 평가한다.

모델의 정확도를 높이기 위해 다양한 기법이 사용된다. 앙상블 예보는 초기 조건에 작은 변화를 주어 여러 번 시뮬레이션을 실행함으로써 예측의 불확실성을 정량화한다. 또한, 모델의 해상도(격자 간격)를 높이거나, 구름 미세물리 과정, 대기화학 반응, 지표면과의 상호작용 등을 더 정교하게 표현하는 것이 지속적인 연구 과제이다. 이러한 발전은 태풍 경로 예측의 정확도 향상이나 지역적 기후 영향 평가에 기여한다.