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  7. 지구 기후 변화

태양 복사 에너지


1. 열의 전달


  • 열은 전도, 대류, 복사를 통해 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달된다.
  • 전도 : 열이 분자 운동의 형태로 물체 내부를 통해 전달되는 현상
  • 대류 : 유체 내부에서 온도 차로 인한 밀도의 차이가 발생해 순환하면서 열이 전달되는 현상
  • 복사 : 열이 전자기파의 형태로 전환되어 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 전달되는 현상


◇ 전자기파

- 전기장과 자기장이 주기적으로 변하면서 전달되는 파동

- 파장이 짧은 것부터 긴 순으로 감마선,X선, 자외선, 가시광선(빛), 적외선, 단파, 전파로 나뉜다.

- 파장이 짧을수록 에너지가 높다

- 빛은 가시광선 영역의 전자기파가 우리 눈에 보이는 것

- 가시광선 영역에서 파장이 긴 쪽이 붉은색, 짧은 쪽이 보라색이다.


전자기파




2. 태양 에너지


  • 태양 복사 에너지라고도 한다. 지구의 대기 순환과 해류 순환의 원인이다.


  • 태양 복사 스펙트럼: 태양 복사 에너지는 표면 온도 6,000 K의 흑체 복사와 매우 유사하다.대부분의 에너지는 가시광선 영역(0.5 ㎛ 파장 부근)에 집중되어 있어 단파 복사라고도 한다. 그 외에도 자외선, 적외선 등을 포함한다.


◇흑체 복사

모든 파장의 전자기파를 완전하게 흡수하는 가상의 물체를 흑체라고 한다. 에너지를 흡수한 흑체는 열을 발생하며, 특정 파장의 복사 에너지를 방출하는데, 이렇게 방출되는 열복사를 흑체 복사라고 한다.

열을 가진 모든 물체는 흑체 복사와 비슷한 복사 에너지를 방출하는데, 흑체가 방출하는 열복사 에너지는 절대온도의 4제곱에 비례한다.

흑체 복사 곡선


◇ 장파 복사와 단파 복사


태양 복사 에너지와 지구 복사 에너지 비교

표면 온도가 높은 천체에서 방출되는 복사 에너지일수록 에너지 밀도가 최대인 파장이 짧아진다(빈의 변위 법칙). 태양의 표면 온도가 지구의 표면 온도에비해 매우 높기 때문에 태양 복사 에너지의 파장이 지구 복사 에너지의 파장에 비해 짧다. 표면 온도가 6,000 K에 이르는 태양의 복사 에너지는 파장 0.4~0.7 ㎛인 가시광선 영역에서 에너지 세기가 최대가 된다. 태양 복사 에너지에서 최대 에너지 밀도가 나타나는 파장은 0.5 ㎛인 노란색 영역이다.

반면, 표면 온도가 288 K인 지구의 복사에너지는 대부분 파장 4~40 ㎛인 적외선 영역에 집중되어 있으며, 최대 에너지 밀도가 나타나는 파장은 10 ㎛이다.

파장이 짧은 태양 복사 에너지를 단파 복사라 하고, 파장이 긴 지구 복사 에너지를 장파 복사라고 한다.



  • 태양 상수 : 지구 대기권 밖에서 햇빛에 수직인 일정한 면적이 받는 태양 복사 에너지의 양 =1367 W/㎡(1 ㎠ 의 면적이 1분 동안 받는 양으로 환산하면 약 1.96 cal/㎠ ·min)



지구 복사


1. 지구 복사


  • 열을 가진 모든 물체는 복사를 통해 열을 내보내거나 흡수하는데, 지표면에서 우주 공간으로 방출되는 에너지를 지구 복사 또는 지구 복사 에너지라고 한다.


2. 지구 복사 스펙트럼


  • 288 K(15 ℃)의 흑체 복사와 거의 같으며, 적외선 영역에 대부분의 에너지가 집중되어 있다.
  • 지구 복사 에너지는10 ㎛ 파장(적외선 영역)에서 가장 강하므로 장파 복사라고도 한다.


복사 평형


1. 복사 평형


  • 전체적으로 보면 지구가 흡수하는 태양 복사 에너지의 양과 지구가 방출하는 지구 복사 에너지의 양이 같은데, 이러한 상태를 복사 평형이라고 한다.


  • 지구의 평균 온도가 크게 변하지 않고 늘 일정하게 유지되는 것은 지구가 이처럼 복사 평형을 이루고 있기 때문이다.


2. 지구의 열수지


  • 지구에 도달하는 태양 복사를 100이라고 할 때, 30은 대기나 지표면에서 반사되고, 70이 대기와 지표에 흡수된다.


지구의 열수지


  • 흡수된 70의 복사 에너지는 대기와 지표 사이에서 이루어지는 복잡한 재복사 과정을 통해 지구의 온도를 높인 다음, 결국 우주 공간으로 방출되므로 지구 전체는 항상 복사 평형을 이룬다.


  • 지표와 대기에서의 열수지


구분

흡수량

방출량

지구 전체

대기와 지표 흡수

70

대기와 지표 방출

70

지표

지표면 흡수

45

장파 복사

전도 · 대류

증발(잠열)

16

8

21

대기

태양 복사

지표 방출

25

41

대기에서 우주로

66


지구 열수지와 복사 평형


관련문제

문제

01

다음 중 지구 복사와 온실 효과에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

선택지

① 지구 복사 에너지의 파장은 주로 적외선 영역이다.

② 대기 중 산소, 질소 등의 기체가 온실 효과를 일으킨다.

③ 온실 효과의 정도에 따라 지구의 기온이 달라질 수 있다.

④ 온실 효과가 없다면 지구는 너무 추워 생물이 살아가기 힘들게 된다.

⑤ 대기 중의 기체들이 지구 복사 에너지를 흡수하기 때문에 발생한다.

정답 :

해설 :

산소와 질소는 온실 기체가 아니다. 온실 효과를 일으키는 기체들을 온실 기체라고 한다. 대표적인 온실 기체는 수증기, 이산화탄소, 메테인, 아산화질소, 프레온 가스 등이다.

문제

01

그림은 지구에 흡수되는 태양 복사 에너지가 우주 공간, 대기, 지표면 사이에서 이동되는 과정을 나타낸 것이다. 위 그림의 A~H의 양적 관계를 잘못 표현한 것은?

<보기>

지구에 흡수되는 태양 복사 에너지

선택지

① B와 C의 양은 같다.

② 온실 효과에 의해 F가 A보다 크다.

③ 지구의 반사율이 증가하면 A가 감소한다.

④ 온실 기체 농도가 증가하면 G가 증가한다.

⑤ D와 H는 지구에 도달하는 태양 복사 에너지의 70 %이다.

정답 :

해설 :

태양 복사 에너지 중 대기에 흡수되는 것은 25 %, 지표면에 흡수되는 것은 45 %이다.


A는 지구에 도달하는 태양 복사 에너지의 70 %이고, B는 대기에 흡수되는 25 %, C는 지표면에 흡수되는 45 %이다. 반면에 지표가 방출하는 복사 에너지(F)는 133 %, 그중 4 %는 우주 공간으로 직접 방출되고(H), 129 %는 대기에 흡수된다. 대기는 총 154 %의 에너지를 흡수(B + G)하여 66 %는 우주 공간으로(D), 88 %는 지표로(E) 재방출한다.

참고서 연관목차

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  1. 1.소중한 지구

    1. 1 . 행성으로서의 지구

    2. 2 . 지구의 선물

    3. 3 . 아름다운 한반도

  2. 2.생동하는 지구

    1. 1 . 고체 지구의 변화

    2. 2 . 유체 지구의 변화

  3. 3.위기의 지구

    1. 1 . 환경 오염

    2. 2 . 지구 기후 변화

  4. 4.다가오는 우주

    1. 1 . 천체 관측

    2. 2 . 우주 탐사

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