복습 - 발사 시 풍선

기상 관측 기구와 헬륨 문제

하루 두 번, 전 세계에서 같은 순간에 약 900개의 기상 관측소가 기구를 띄웁니다. 각 기구에는 라디오존데라는 작은 계측기 상자가 실려 있으며, 기구가 상승하는 동안 공기의 온도, 압력, 습도를 측정해 무선으로 전송합니다. 이 수치들은 여러분이 보는 모든 일기예보에 사용됩니다.

기상 관측 기구는 얇은 고무로 만들어집니다. 지면에서 기구에는 약 2,500 L의 기체가 들어가며, 지름은 대략 1.7 m입니다. 기구가 상승하면 주변 공기가 희박해지고 외부 압력이 낮아지므로, 내부의 기체가 팽창하고 기구가 부풀어 오릅니다. 높은 곳은 매우 춥기도 해서 기체가 약간 수축하지만, 압력 감소의 영향이 훨씬 더 큽니다. 지면에서 약 30 km 위에 도달하면 기구는 지름이 6~7미터까지 커지고, 고무가 찢어지면서 라디오존데가 작은 낙하산을 타고 지구로 떨어집니다.

지면과 높은 곳의 동일한 헬륨: 외부에서 일어나는 충돌이 줄어들어 기구가 부풀어 오릅니다

내부의 기체는 공기보다 가벼워야 합니다. 수소는 가장 가벼운 기체이고 값도 저렴합니다. 일부 관측소에서는 전기로 물을 분해해 현장에서 수소를 만듭니다. 2H₂O → 2H₂ + O₂. 하지만 수소는 불이 붙으며, 불꽃 근처에서 새어 나오면 화재가 발생할 수 있습니다. 그래서 대부분의 관측소는 전혀 반응하지 않는 비활성 기체인 헬륨을 사용합니다.

헬륨에는 그 나름의 문제가 있습니다. 지구의 헬륨은 암석 속 우라늄과 토륨의 α 붕괴로 수백만 년에 걸쳐 천천히 만들어졌으며, 천연가스정에서 채취됩니다. 헬륨이 공기 중으로 방출되면 상승하고, 너무 가벼워서 서서히 우주로 빠져나갑니다. 병원에서는 MRI 스캐너의 자석을 냉각하는 데 헬륨이 필요하며, 헬륨 부족이 이어진 시기에는 가격이 급격히 올랐습니다. 여러 나라의 기상 당국은 이미 일부 기구 발사를 다시 수소로 전환했으며, 자동 발사 장치를 사용해 사람들이 기체에 가까이 가지 않도록 하고 있습니다.

실온 조건에서 헬륨 2,500 L로 채운 기구에 들어 있는 헬륨의 질량 $m$을 계산하세요(He, 4 g/mol). 실온 조건에서 기체 1 mol의 부피는 25 L라고 가정하세요.