지구-대기의 열수지 관계와 온실 효과

지구 복사평형과 지표 및 대기간의 열 평형 관계는 온실효과 및 지구 온난화에 대한 논의를 하기 위해 알아야 하는 굉장히 중요한 내용 중 하나입니다. 이에 이번 포스팅에서는 이와 관련된 내용 중 지표면과 대기의 열 평형 관계를 집중적으로 다루어 보고자 하겠습니다.

  1. 지표와 대기의 열수지 관계

<지표 - 대기의 열수지 평형 관계(출처 : 비상 교과서)>

위의 그림은 지표와 대기의 열수지 상관관계를 잘 나타내고 있습니다. 지구라는 행성이 만들어지고, 태양으로 부터 지속적으로 복사에너지를 공급받은 지표와 대기는, 상호간에도 복사에너지를 주고 받다가 현재 저 상태에서 딱 평형을 이루고 있다 라고 생각하시면 좋을 것 같습니다.

가. 태양으로부터 들어오는 단파복사에너지

우선 태양으로부터 지구로 들어오는 단파복사를 살펴봐야 합니다. 지구와 비교하여 단파복사라고 하는 것이지 절대적인 개념으로 태양이 단파복사라는건 아닙니다. 뭐 어찌되었든, 이 태양복사에너지가 지구에 도착하면, 이중 30%는 반사하여 우주로 돌려보냅니다. 그 양은 지표면이 5%를, 대기가 25%를 반사한다고 알려져 있습니다. 합쳐서 30%. 이를 행성의 알베도라고 부르기도 합니다.

 

그러니 지구가 흡수하는건 총 70%입니다. 그리고 지구는 평균적으로 온도가 상승하지도, 하강하지도 않는 에너지 평형을 이루고 있습니다. 다시말해 태양으로부터 먹은 70%를 그대로 모두 다시 우주로 방출한다는 소리입니다. 만약 70%을 먹었는데 50%을 돌려낸다면 온도는 상승할 것이고, 70%을 먹었는데 100%을 돌려보낸다면 온도는 하강하겠죠?

 

먹는 70% 중 지표면에서 50%를 먹고 구름과 대기가 나머지 20%를 먹습니다. 실제 태양복사의 거의 대부분은 지표면이 흡수하며, 대기가 흡수하는건 얼마되지 않는데, 이마저도 가시광선에서는 거의 흡수가 일어나지 않고 대부분 적외선에서 흡수가 일어납니다.

위 그래프는 이를 잘 나타내고 있습니다. 빨간색은 지표면에서 관측한 태양복사에너지이고, 노란색은 대기 흡수가 없었을 때 태양복사에너지, 검정색 실선은 태양을 흑체로 가정하였을 때 나타나는 플랑크 곡선입니다. 노란색과 빨간색에 차이가 나는것이 대기에 의한 흡수 및 산란 때문입니다. 그 중에서도 자외선 영역에서 노란색이 더 높고, 250nm 부근에서는 지표에서 아예 관측되지 않는건 오존층이 죄다 먹어버리게 때문입니다.

 

가시광선에서 발생하는 차이는 지표나 대기에서 반사해 버리기 때문입니다. 이후 파장이 길어지며 노란색과 빨간색에 점차 차이가 사라지는데, 특정 파장대역에서만 빨간색이 심하게 푹푹 꺼져있습니다. 이는 이유가 간단합니다. 대기의 일부 분자가 태양복사에너지를 선택적으로 쪽쪽 빨아먹었기 때문입니다. 이를 선택적 흡수라고 합니다. 그러니까 태양으로부터 들어오는 단파에너지를 대기가 흡수한다면 거의 적외선에서 흡수를 한다 생각하시면 되고, 이 중에서도 특히 수증기가 가장 많은 흡수를 담당하고 있습니다.

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나. 지구가 방출하는 장파복사에너지

<지표 - 대기의 열수지 평형 관계(출처 : 비상 교과서)>

스크롤 하시기 부담시려우실까봐 같은 그림 다시 가져왔습니다. 에너지를 먹은 물체는 반드시 먹은만큼 다시 돌려냅니다. 그렇지 않으면 에너지가 누적되어 계속 온도가 올라가 버립니다. 지구는 그런일은 없기 때문에 먹은만큼을 주고 있는 셈입니다. 재방출 할 때에는 태양복사에 비해 훨씬 파장이 긴 장파 형태로 방출하는데, 이를 대기가 102를 먹고, 대기는 다시 58을 우주로, 지표면 방향으로는 94를 내려 보냅니다. 지표에서 출발한 적외복사 102 중 고작 12만이 대기를 통과하여 우주로 날라갑니다. 그리고 나머지는 모두 대기가 흡수해 버립니다. 이를통해 알 수 있는 사실은

• 대기는 태양복사는 상대적으로 많이 흡수하지 않는다. 특히 가시광선은 많은양이 그냥 투과해 버린다.
• 대기는 지구복사는 엄청나게 많이 흡수한다.

위 그림은 이바닥에서는 꾀나 유명한 그림 중 하나입니다. 맨 위 그래프에서 빨간색은 태양복사, 파란색은 지구복사에너지이고 그 바로 아래 그림은 파장별 에너지 흡수와 산란율입니다. 그 아래부터는 흡수나 산란을 일으키는 주된 분자들을 나타내고 있습니다. 자외선(UV)는 산소와 오존에 의해 거의 100% 흡수되어 지표로는 아예 오지 못하고, 가시광선으로 넘어오며 흡수나 산란율이 현격히 떨어집니다. 이후 흡수 및 산란율이 다시 올라가는데 재미있는것은, 가시광선 이후 모든 파장에서 흡수가 일어나는게 아니라 특정 파장대역에서만 흡수가 일어난다는 점입니다. 또한, 각 파장대별로 흡수를 집중적으로 하는 분자들도 정해져 있습니다. 그리고 맨 아래 그래프가 레일레이 산란인데, 보시면 알 수 있듯 적외선 파장대역으로 갈 수록 산란율이 현저히 떨어지고, 1 마이크로미터 이후에 산란은 거의 없다시피 합니다.

 

이렇게 특정 파장대역에서만 나타나는 흡수를 유식한(?) 말로 선택적 흡수라고 합니다.

다. 지표와 대기의 에너지 불균형

현재 지표에서 대기로 가는 물의 증발열 23, 대류와 전도 7은 아직 따지지 않았습니다. 왜냐하면 오로지 복사에너지만을 다루고 있기 때문입니다.

 

실제 복사에너지만으로는 지표와 대기간에 에너지 불균형이 발생합니다. 무슨소린지 하나씩 보겠습니다.

1) 대기 입장에서 흡수하는 에너지

태양이 주는 단파복사에너지 20% + 지표면이 주는 장파복사에너지 102% = 122%

2) 대기 입장에서 방출하는 에너지

우주공간으로 날라가는 58% + 지표방향으로의 재복사94% = 152%

3) 총 열수지 : 흡수하는거 122%, 방출하는거 152% 결국 -30% 에너지 손실

 

어라. 계산상 대기는 -30%의 복사에너지 손실이 발생합니다. 이러면 대기는 온도가 쫙쫙 낮아져야만 하는 상황입니다. 다음으로 지표를 보겠습니다.

1) 지표 입장에서 흡수하는 에너지

태양이 주는 단파복사에너지 50% + 대기가 주는 장파복사에너지 94% = 144%

2) 지표 입장에서 방출하는 에너지 102% + 우주 밖으로 바로 튀어나가는 12% = 114% 

3) 총 열수지 : 흡수하는 에너지 144%, 방출하는 에너지 114% = +30%, 결국 +30% 에너지 이득

 

지표 입장에서는 대기와 달리 정확히 +30%의 에너지 이득이 발생합니다. 따라서 온도는 쭉쭉 상승해야만 하는 상황입니다. 하지만 대기는 온도가 쭉 떨어지고, 지표는 온도가 쭉 높아지기만하는 그런 상황은 발생하지 않고, 둘 사이는 열평형을 잘 이루고 있습니다.

 

바로 지표의 남는 30%를 대기로 줘 버리면 되는데, 이 때 복사에너지 형태로 주는것이 아니라 전도와 잠열의 형태로 에너지를 전달하고 있는 것입니다. 그래서 위 그림에서 물의 증발 23, 대류와 전도 7가 이 과정인 것이며, 위의 열평형 관계에서 유일하게 복사에너지의 형태로 에너지를 전달하는 녀석들이 아닌 아이들입니다.

 

아래 그림은 위와 같은 그림으로, 나사 홈페이지에서 업어 왔는데요, 들어오는 태양복사에너지(incoming)가 약한 영역에서 대기에 의한 흡수율은 매우 높게 나타나고, 지구에서 밖으로 나가는 지구복사에너지는 약 10마이크로미터 부근에서 가장 강한데, 이 구간에서 지구복사에너지의 흡수율은 현저히 낮아집니다. 이 파장대역을 대기의 창이라고 부릅니다. 이외의 적외선 파장대역에서는 흡수가 압도적인것을 알 수 있습니다.

<출처 : NASA>

  3. 온실효과 바로 알기

지금까지의 내요을 정리해보면, 대기는 태양복사에너지는 그대로 투과하며, 지구복사에너지를 쪽쪽 다 빨아먹습니다. 특히 그 중에서도 수증기가 가장 큰 기여를 하고 있음을 알 수 있습니다.

 

특히 대기는 지구복사에너지를 흡수한 뒤에 다시 지표면으로 재방출하는데, 이 때문에 지표면 입장에서는 태양복사에너지와 대기복사에너지를 모두 먹는 효과를 얻게 됩니다. 이는 태양이 사라지는 밤에 특히 유용한데, 밤이되어도 대기가 가지고있던 잉여 복사에너지는 계속 지표방향으로 방출되어, 지표면의 온도가 현격히 떨어지는 일은 발생하지 않습니다.

 

이와같이 대기가 지표면이 방출하는 적외복사 에너지를 흡수하여 다시 지표면으로 열을 보내는 효과를 온실효과라 합니다. 그리고 온실효과에 관여하는 기체를 모두 온실기체라고 하는데, 대표적인 온실기체에는 수증기, 이산화탄소, 메테인, 오존 등이 있습니다.

 

온실효과라는 이름 때문에, 비닐하우스와 비슷한 현상으로 오해할 수 있는데, 비닐하우스와는 완전히 다른 현상입니다. 비닐하우스는 단순히 하우스 내부와 외부의 공기를 차단하여 내부의 따뜻한 열이 밖으로 나가지 못하게 막아두는 것입니다. 온실효과와 비닐하우스가 같은 효과가 되려면, 비닐하우스의 비닐이 열을 흡수한 뒤 재방출하는 효과가 지배적이어야 하지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 단순히 가두어 두는 역할밖에 하지 않으니까요.

 

어찌 되었든 이 자체만 놓고 보면 온실효과와 온실기체는 반드시 있어야 하는 아이들 입니다. 온실효과가 일어나지 않으면 밤에 기온이 극단적으로 낮아져 지구 환경이 달과 별 차이가 안나게 됩니다. 그럼에도 불구하고 온실효과에 나쁜 이미지가 씌워진 것은 지구 온난화 현상 때문입니다.

  4. 지구온난화 바로 알기

지구온난화라는 것은 온실기체의 증가로 인해 지구의 평균기온이 상승하는 현상입니다. 온실효과를 일으키는 온실기체가 증가하면, 대기가 지표면이 방출하는 복사에너지를 더 많이 흡수하여 더 많은 양의 에너지를 지표면으로 다시 보낼 것이고, 이 때문에 지표면의 평균 기온은 높아지게 됩니다. 온실기체는 수증기, 메테인, 이산화탄소 같은 아이들인데, 수증기야 인위적으로 증가하는 양이 없으니 무시하면, 문제가 되는것이 이산화탄소나 메테인 같은 아이들입니다. 이들 역시 자체적으로는 나쁜아이들이 아닙니다.

 

특히 이산화탄소를 예를들면, 정상적인 상태에서 탄소는 위 그림처럼 오랜 시간에 걸쳐 탄소순환을 일으킵니다. 그 중 우리가 주목할 것은 지권 내부로 고정되는 탄소들인데, 이들은 대부분 화석연료(석유나 석탄)나 암석의 형태로 땅속에 고정되는 경우가 많습니다.

 

자연적인 상태라면, 땅속에 고정된 탄소는 화산폭발과 같은 방법으로 다시 대기중으로 나갈 수 있고, 해수에 녹은 뒤 공기중으로 나갈 수도 있습니다. 굉장히 느린 순환일 수 밖에 없습니다.

 

그런데 화석연료의 사용으로 인해, 이들은 이산화탄소의 형태로 엄청나게 빠른 속도로 대기중으로 배출됩니다. 다시 말해 인간 활동으로 인해 땅속에 고이 묻혀있는 탄소를 끄집어내서 공기중으로 마구 뿌려대고 있다고 생각하시면 됩니다. 

 

또한 대량으로 가축을 사육하며, 이들이 배출하는 메테인의 양도 엄청납니다. 이런 인위적인 활동으로 대기중에 다량의 탄소가 메테인, 이산화탄소와 같은 형태로 공급되는데, 이들은 모두 온실기체입니다.

 

온실기체가 증가하니 온실효과가 더 많이 일어나게 되는 것이고, 이로 인해 지구의 평균 기온 자체가 상승하게 됩니다. 이를 지구 온난화라고 하는 것입니다.

 

이런 지구 온난화에 의해 발생하는 여러가지 지구 환경 변화에 대한 포스팅을 이전에 작성하였습니다. 함께 보시면 더욱 좋을 거에요.ㅎㅎ 또한 유튜브에도 이에대한 소개를 올렸습니다.ㅎㅎ

남극 빙하와 북극 빙하가 녹으면 벌어질 일(해수면 상승 시뮬레이션)

지구 온난화와 열염순환

기후변화에 의해 나타나는 지구 환경 변화를 시뮬레이션으로 알아보기