지구 복사 평형

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

우리나라는 4계절이 뚜렷한 나라입니다. 1년을 주기로 기온이 바뀌고, 그에 따라 계절도 변화하죠. 물론 고위도, 저위도에 있는 나라도 평균 기온의 차이가 있을 뿐 계절의 변화가 있습니다.

정말 다행인 것은 적도 지방의 더운 나라도 계속 기온이 올라가지 않고, 극 지방의 추운 나라도 계속 기온이 떨어지지 않는다는 것입니다. 각 나라별로 계절에 따른 연평균 기온이 유지가 되는 것이죠.

이유를 간단하게 설명드리자면 태양으로부터 받는 에너지의 양 만큼, 지구도 에너지를 방출하기 때문입니다. 이 내용을 더욱 자세하게 공부해봅시다.

*** 복사 에너지 [radiation energy]

■ 열의 전달 방식

열의 전달은 전도, 대류, 복사 방식이 있습니다. 간단하게 정리해볼게요.

- 전도: 직접 접촉되어 열이 전달됨 

- 대류: 물질이 직접 움직여서 열이 전달됨

- 복사: 물질의 도움없이 직접 열이 전달됨

■ 태양 복사 에너지

지구에서 멀리 떨어진 태양 에너지는 '복사' 방식으로 지구로 전달됩니다. 그래서 '태양 복사 에너지'라고 하지요.

태양 복사 에너지가 없다면 지구에 있는 생물은 모두 멸종하고 말겁니다. 그만큼 지구의 가장 중요한 에너지원이 바로 태양 복사 에너지랍니다. 비나 바람이 불고, 식물의 광합성을 일어나게 하는 것도 모두 태양 복사 에너지입니다.

태양 복사 에너지는 파장이 짧은 순으로 자외선, 가시광선, 적외선 형태로 에너지를 방출합니다. 가시광선은 눈으로 볼 수 있는(가능할 可, 볼 視) 광선이고, 자외선은 보라색(자, 紫) 바깥(외, 外)의 광선, 적외선은 붉은색(적, 赤) 바깥(외, 外)의 광선을 뜻합니다.

태양 복사 에너지는 가시광선 형태로 가장 많이 방출됩니다. 

■ 지구 복사 에너지

지구도 지구 표면에서 복사 에너지를 방출합니다. 그런데 우리 눈에는 보이지 않지요. 왜냐하면 지구 복사 에너지는 거의 적외선 형태로 방출되기 때문이에요. 온도도 낮은 편이죠.

*** 복사 평형 [radiation equilibrium]

물체가 흡수하는 복사 에너지양과 방출하는 복사 에너지양이 같은 상태를 '복사 평형'이라고 합니다. 들어오는 에너지양과 나가는 에너지양이 같다면 온도의 변화가 없겠지요.

지구가 흡수하는 태양 복사 에너지양과 지구가 방출하는 지구 복사 에너지양이 비슷하기 때문에 지구의 연평균 기온이 일정하게 유지되는 것입니다.

흡수한 복사 에너지량 = 방출한 복사 에너지량

■ 대기가 없을 때의 지구 복사 평형

지구 복사 평형을 쉽게 이해하기 위해 간단한 숫자로 에너지를 표시했습니다 ^^

대기가 없을 경우에는 지표면에서 흡수한 태양 복사 에너지만큼 지구 복사 에너지를 방출합니다. 자연스럽게 복사 평형이 이뤄집니다.

■ 대기가 있을 때의 지구 복사 평형

대기가 있는 경우, 대기가 지구 복사 에너지의 일부를 흡수해서 다시 지표면으로 에너지를 보냅니다. 이렇게 되면 들어오는 에너지보다 나가는 에너지가 적어져서 복사 평형이 깨지게 됩니다. (흡수량 > 방출량)

흡수하는 에너지가 많기 때문에 지구의 평균 기온이 올라갑니다. 이렇게 대기가 있어 에너지를 흡수해서 평균 기온이 올라가는 효과를 온실 효과[greenhouse effect, 溫室效果]라고 하지요. 비닐하우스 내부의 기온이 높은 원리와 같습니다.

이후 지표면의 온도가 점차 올라감에 따라 방출하는 에너지도 점점 증가합니다. 그러다가 지표면이 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지가 다시 같아져서 복사 평형을 이루게 되는 것입니다. 대기가 없을 때보다 더 높은 온도에서 복사 평형을 이루는 것이죠. (흡수량 = 방출량)

지표면이 흡수하는 에너지도 200 (100+100), 방출하는 에너지도 200이 됩니다.

대기권 밖을 보더라도 들어오는 에너지가 100, 나가는 에너지도 100 (20+80) 이죠.

*** 지구 위도에 따른 차이

지구가 둥글기 때문에 위도에 따라서 태양빛이 들어오는 각도가 모두 다릅니다. 저위도(적도 부근) 부근은 태양의 고도가 높아서 같은 면적에 많은 에너지가 도달하지만, 고위로도 갈수록 태양의 고도는 낮아지고, 같은 면적에 도달하는 에너지도 적어지겠죠.

■ 위도에 따른 복사 에너지 그래프

위도에 따른 복사 에너지 그래프를 그려보겠습니다. 지구로 흡수(in)하는 태양 복사 에너지를 빨간색으로, 지구가 방출(out)하는 지구 복사 에너지를 파란색으로 표시할게요.

▶ 저위도 지방 ( in > out : 에너지 남음)

흡수하는 태양 복사 에너지양 > 방출하는 지구 복사 에너지 양

그래서 저위도 지방의 평균 기온은 높습니다.

▶ 고위도 지방 ( in < out : 에너지 부족)

흡수하는 태양 복사 에너지양 < 방출하는 지구 복사 에너지 양

그래서 고위도 지방의 평균 기온은 낮습니다.

▶ 대기와 해수가 이동하면서 저위도 지역의 남는 에너지를 고위도 지역으로 운반해서 위도별로 연평균 기온을 일정하게 해줍니다.

▶ 위도 38° 부근 ( in = out : 에너지 이동이 많음)

흡수하는 태양 복사 에너지양 = 방출하는 지구 복사 에너지 양

우리나라 부근이지요. 에너지 이동이 많은 부근이라 날씨의 변화가 심하고, 계절의 변화가 뚜렷합니다.

위도별 복사 에너지 그래프 해석, 어렵지 않게 하실 수 있겠지요?

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대기가 없어도 복사 평형은 일어나겠지만, 낮과 밤의 일교차가 무척 커지고, 매우 낮은 온도에서 복사 평형이 이뤄질 것입니다. 대기가 있기 때문에 온실효과가 일어나 생명체가 살아갈 수 있는 적당한 온도에서 복사 평형이 이루어진 것이죠. 지구 시스템에서 '기권'의 역할이 이렇게 중요하답니다. 복사 평형의 원리와 위도별 복사 에너지 그래프를 확실하게 이해하시길 바랍니다 ^^

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