제3장
온실효과
복사 강제력
복사 강제력(Radiative Forcing)은 태양으로부터 지구로 들어오는 에너지와 지구에서 우주로 방출되는 에너지 사이의 불균형을 나타낸다.1)이 불균형이 생기는 주요 원인은 대기 중 온실가스(특히 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄) 등)의 농도 증가로 인해 지구에서 방출되는 복사 에너지가 대기 중에 갇히면서 발생한다. 복사 강제력은 기후 시스템에 대한 에너지 변화를 수치로 표현2)하며, 이는 지구 기온의 변화를 유발하는 중요한 요인이다.
IPCC에서는 복사 강제력을 다음과 같이 정의했다.
“온실가스 농도의 변화와 같은 요인으로 인해 발생한 지표-대류권 시스템의 복사 강제력은 성층권3) 온도가 방사 평형에 도달한 후의 순 복사 강제력(하향 방사 에너지에서 상향 방사 에너지를 뺀 값) 변화로 측정된다.”4)
여기서 방사 평형이란 성층권이 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지가 균형을 이루는 상태를 말한다. 성층권 온도가 이 평형 상태에 도달한 후에야 복사 강제력(RF)의 변화가 측정된다. 하향 방사 에너지는 태양 복사 에너지가 지구 표면에 도달하거나 대기 중 온실가스가 흡수한 에너지를 다시 지표면으로 방출하는 에너지이고, 상향 방사 에너지는 지구 표면과 대기가 우주로 방출하는 복사 에너지를 의미한다. 순 복사 강제력 값이 양수이면, 지구가 흡수하는 에너지가 방출하는 에너지보다 많아져 온도가 상승하게 되고, 음수이면 지구가 더 많은 에너지를 방출하여 온도가 낮아지게 된다. 이를 통해 지구 시스템의 에너지 흐름 변화를 측정하고, 기후 변화에 미치는 영향을 평가할 수 있다.
복사 강제력 개념은 기후 변화 연구에서 중요한 도구로 사용되며, 다양한 자연적 및 인위적 복사 요인이 지표-대류권 시스템에 미치는 영향을 상대적으로 평가하는 방법을 제공한다. 1750년(산업화 이전)부터 현재까지의 변화가 주로 평가된다.5)
"복사 강제력"이라는 용어는 IPCC 평가 보고서에서 지구 기후 시스템의 복사 에너지 예산에 외부적으로 가해진 교란을 나타내는 데 사용된다. 이러한 교란은 CO₂ 및 에어로졸과 같은 복사 활성 물질의 농도 변화, 태양 복사 에너지의 변화, 또는 표면 반사 특성의 변화로 인해 발생할 수 있다.6)
복사에너지 예산
복사 에너지 예산(Radiative Energy Budget)7)은 지구의 에너지 균형을 설명하는 개념으로, 지구 시스템이 흡수하는 태양 에너지8)와 방출하는 에너지의 차이를 의미한다.
복사 에너지 예산은 지구가 수백만 년 동안 산업화 이전까지 평균 기온 14~15°C 유지했다는 초기 조건일 경우에 짜여진 것이다. 이 기온은 태양에서 지구로 들어오는 복사 에너지를 흡수한 후 열 에너지를 추가로 발생시켜 열 적외선 형태의 복사에너지로 우주에 다시 방출한다.9)
태양 복사의 유입과 반사
태양의 표면 온도는 약 5,800K이며, 복사의 대부분은 가시광선 및 근적외선 파장에 집중된다. 지구-태양 간 평균 거리(약 1억 5천만 km)에서 지구 대기권 외곽에 도달하는 복사 에너지는 1,360 W/m²이며, 이를 총 태양 복사량(TSI)이라 한다.
하지만 지구는 구형이며 자전하므로, 이 에너지는 지구 전체 평균으로 환산될 경우 1/4로 나뉘고, 결국 평균 340 W/m²가 지구 대기에 도달한다. 이 중 일부는 아래와 같이 반사된다.
· 대기 및 구름 반사: 77 W/m²
· 지표면 반사: 23 W/m²
· 총 반사량: 100 W/m² (약 29%)
100 W/m²의 에너지는 지구에 도달했지만 에너지로 전환되지 않고 곧바로 반사되어 나간다. 이를 알베도(albedo) 효과라고 하며, 밝은 표면일수록 반사율이 높아 태양 에너지의 유입을 줄이는 역할을 한다. 즉, 알베도 효과는 지구 에너지 예산에서 유입되는 태양 복사 에너지의 초기 손실 경로로 작용하며, 기후 시스템에 영향을 미치지 않은 채 즉시 우주로 사라지는 에너지 흐름이다.
지표면과 대기의 에너지 재방출
이후 지구 표면에 유입된 복사 에너지 약 48%는 여러 경로를 통해 대기와 우주로 방출된다. 이 중 약 25%는 증발(latent heat), 5%는 대류(sensible heat) 형태로 대기 상층으로 전달되고, 17%는 적외선 복사 형태로 대기로 보내진다. 증발과 대류는 비복사 에너지고, 17%는 순 복사(열적외선) 에너지에 해당한다.
대기는 지표면으로부터 받은 48%를 포함, 태양으로부터 직접 흡수한 23%를 더해 총 약 71%의 에너지를 갖게 된다. 지구 시스템은 이 중 태양으로부터 직접 흡수한 23%, 비복사에너지 30%(증발 25%, 대류 5%), 그리고 적외선 복사(순 복사) 에너지로 흡수한 17% 중 5~6% 합계 59%의 에너지를 가두고 대기와 지표면을 순환하며 지구의 온도를 조절한다. 이 에너지 순환 과정은 온실효과에 의해 대기에서 지표면으로 역방사되어 지표면을 따뜻하게 한다.
최종적으로, 지구 시스템은 59%는 대기를 통해, 적외선 복사(순 복사) 형태의 에너지 17% 중 12%는 대기를 거치지 않고 지표면에서 직접 우주로 방출한다. 이리하여 결국 지구 시스템은 태양으로부터 받은 복사 에너지 흡수량과 일치하는 71%(240W/m²)를 우주로 방출함으로써 복사 평형을 이룬다. 인공위성 관측에 의하면 지구는 매초 240W/m²의 복사 에너지를 우주로 방출하고 있다.
하지만 실제로 지표는 순 복사보다 훨씬 많은 양의 열복사 에너지를 대기로 방출한다. 평균 지표 온도 약 15°C를 기준으로 스테판-볼츠만 법칙10)에 따라 계산된 복사량은 390 W/m²이다. 이 중 상당 부분은 대기에 흡수되고, 다시 지표면으로 되돌아 온다.이를 역방사(back radiation)라고 한다.
이러한 대기의 역방사(back radiation) 규모는 위성 관측과 복사 모델에 따라 다소 차이가 있지만, 일반적으로 약 324~340 W/m²로 보고되고 있다. 역방사량은 지표에서 방출되는 복사 에너지와 거의 균형을 이루며, 결국 지표의 실제 순상향 복사량은 66 ~ 50W/m²(열적외선 순 복사 약 17% )수준이다.
이처럼 표면과 대기 간의 복사 에너지 교환은 단순한 방출이 아니라 지속적인 상호작용과 재방사 과정을 통해 이뤄지며, 이것이 바로 자연적인 온실 효과의 핵심이다. 즉, 대기 중 온실가스는 지표에서 올라오는 열적외선을 흡수한 뒤 일부를 우주로 방출하고, 일부는 다시 지표로 되돌려보냄으로써 지표 온도를 평균 약 15°C 수준으로 유지시켜 준다.
우주로 에너지 방출과 복사 평형
그럼에도 어쨌든 지구는 최종적으로 다음과 같이 240 W/m²를 우주로 방출하며 복사 평형을 유지한다.
· 지표에서 직접 우주로 복사: 12%(약 40 W/m²)
이러한 방출 에너지는 유입 에너지와 같아야 지구의 평균 기온은 장기적으로 안정된다. 만약 온실가스가 증가하여 방출이 지연되면, 복사 불균형이 발생하고 지구 온도는 상승하게 된다.
복사 에너지 예산을 종합해서 도식을 그리면 다음과 같다.
40 W/m² (태양으로부터 유입)
├── 반사: 100 W/m² (29%)
└── 흡수: 240 W/m² (71%)
├─ 대기: 78 W/m² (23%)
└─ 지표: 163 W/m² (48%)
├─ 증발: 85 W/m² (25%)
├─ 대류: 17 W/m² (5%)
└─ 순복사: 50~66 W/m² (17%)
├─ 복사총량: 390 W/m² (117%)
└─ 역복사: -324~340 W/m² (100%)
우주 방출:
├─ 대기 → 200 W/m² (59%)
└─ 지표 직접 방출 → 40 W/m² (12%)
▶ 총 240 W/m² = 흡수량과 일치 → 복사 평형 유지복사 에너지 예산의 과학적 의미
지구 기후 시스템은 단순한 가열-방출의 반복이 아니다. 적도에서 극지방으로의 열 재분배, 표면과 대기 사이의 비대칭적 에너지 교환, 위도에 따른 알베도 차이 등 복합적 작용을 통해 유지된다. 특히 지표면은 태양 에너지의 대부분을 흡수하지만, 방출은 대부분 대기가 담당한다.
예를 들어 대기는 태양 복사의 23%만을 흡수하지만, 우주로 방출되는 복사의 59%를 담당한다. 반대로 지표면은 48%를 흡수하지만, 12%만을 직접 방출한다. 이러한 불균형은 대기 내 순환, 구름, 수증기, 그리고 미량 기체들의 복사 특성에 의해 해소된다.
이 과정이 지구의 대기와 표면이 일정한 에너지 균형을 유지하는 메커니즘이며, 이 에너지 균형이 깨지면 기후 변화가 발생할 수 있다. 복사 에너지 예산은 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 지구가 방출하는 에너지 간의 균형을 나타내며, 이 균형이 기후 시스템의 변화를 결정짓는 중요한 요소다.
복사 에너지 균형의 의미는 에너지 유입 = 유출이면 기후는 안정되고, 에너지 유입 > 유출이면 지구는 가열되며(온난화) 에너지 유입 < 유출이면 냉각된다는 뜻이다.
복사 에너지 예산은 “기후 시스템의 상태”를 설명하는 물리적 개념이고, 복사 강제력은 “왜 그 상태가 변화했는가”를 설명하는 원인 분석 도구다.
복사 강제력 메커니즘
복사 강제력은 기후 시스템의 복사 에너지 예산에 인위적 또는 자연적 요인이 가하는 변화량, 즉 에너지 흐름의 불균형을 초래하는 외부 요인의 영향력을 정량화한 개념이며,11) 그 측정 결과로 나타나는 기후 변화를 설명하는 데 사용된다. 주로 산업화 이전(1750년)을 기준으로 이후 변화량을 측정하며 단위는 W/m² (와트/제곱미터)다. 복사 강제력의 값이 양수일 경우 지구가 더 많은 에너지를 흡수하게 되어 온도가 상승하고, 음수일 경우 지구가 더 많은 에너지를 방출하여 온도가 낮아지게 된다.
복사 강제력은 특히 온실가스 농도의 증가로 인해 대기에 가두어진 에너지가 지구 표면을 더 따뜻하게 만드는 메커니즘을 설명하는 데 중요한 도구로 사용된다. 예를 들어, 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스는 장파 복사(적외선)를 흡수하고 다시 지표면으로 방출하여 지구의 에너지를 가두는 역할을 한다. 이는 지구 온난화의 주요 원인 중 하나다.12)
태양 복사 흡수와 방출
온실가스의 역할
복사 강제력의 변화
양의 복사 강제력과 음의 복사 강제력
양의 복사 강제력(Positive Radiative Forcing)과 음의 복사 강제력(Negative Radiative Forcing)14)은 기후 시스템에서 에너지 불균형을 유발하는 두 가지 주요 메커니즘을 설명한다. 이들은 지구의 온난화 또는 냉각에 어떻게 기여하는지에 대한 중요한 개념이다.
양의 복사 강제력 (Positive Radiative Forcing)
양의 복사 강제력은 지구가 흡수하는 에너지가 방출하는 에너지보다 더 많을 때 발생합니다. 이는 지구의 온난화를 유발한다.온실가스(예: 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O))의 농도 증가가 원인이다. 이들 기체는 지구에서 방출되는 장파 복사를 흡수하여 다시 지표면으로 재방출하기 때문에 에너지를 더 많이 가두게 된다. CO₂ 농도 증가로 인해 복사 강제력이 증가하면, 지구는 더 많은 에너지를 흡수하여 기온이 상승하게 된다.
음의 복사 강제력 (Negative Radiative Forcing)
음의 복사 강제력은 지구가 흡수하는 에너지보다 더 많은 에너지를 방출할 때 발생한다. 이는 지구의 냉각을 유발한다.에어로졸 같은 물질은 태양 복사를 반사하거나 대기에서 흡수되는 태양 에너지를 줄여 지구를 냉각시킨다. 예를 들어, 화산 활동으로 대기 중에 에어로졸 입자가 증가하면, 태양 에너지가 더 많이 반사되어 냉각 효과를 가져온다.
대기 중 에어로졸의 증가로 태양 에너지가 반사되면, 지구는 흡수하는 에너지가 줄어들어 기온이 내려간다.
양의 복사 강제력과 음의 복사 강제력의 비교
양의 복사 강제력은 지구 기온을 상승시키는 주된 요인으로 온실가스가 주된 역할을 한다.음의 복사 강제력은 대기 중 에어로졸 입자가 태양 복사를 반사하거나 흡수하여 냉각 효과를 가져오는 역할을 한다.
복사 강제력의 총합이 양수이면 지구가 온난화되고, 음수이면 지구가 냉각된다.
복사 강제력의 원인
대기 중 온실가스 증가에 따른 양의 복사 강제력과 더불어, 에어로졸, 구름 반사율 등의 음의 복사 강제력이 충분히 작동하지 못함으로써, 복사 에너지 불균형이 지속되고 있다.
온실가스 증가로 인한 양의 복사 강제력이 강하게 작용하는 반면, 음의 복사 강제력의 효과가 약화되거나 충분하지 않아 에너지 불균형이 발생하고 있다.
온실가스 증가
산업화 이후 화석 연료의 사용으로 온실가스 배출이 급격히 증가하면서 복사 강제력이 양의 값을 기록하게 되었다. 이것을 양의 복사 강제력이라고 하는데 지구가 더 많은 에너지를 축적하게 되어 기온 상승을 일으키는 요인이다. 예를 들어, 이산화탄소(CO₂)나 메탄(CH₄) 같은 온실가스가 증가하면, 지구가 방출하는 열복사 에너지가 감소하여 더 많은 에너지가 지구에 남게 된다.음의 복사 강제력 효과 약화
음의 복사 강제력은 지구가 더 많은 에너지를 방출하게 되어 기온 하강을 유발한다. 에어로졸 같은 미립자나 화산 폭발로 인한 먼지 등이 대기로 들어가 태양 복사를 반사시킴으로써 발생한다. 에어로졸 반사 효과, 구름 반사율 등은 대기 중에서 태양 복사를 반사해 지구를 냉각시키는 음의 복사 강제력을 제공하지만, 이는 온실가스 증가로 인한 양의 복사 강제력을 완전히 상쇄하지는 못한다.복사 강제력 계산식
복사 강제력을 계산하는 공식은 주로 이산화탄소(CO₂) 농도의 변화를 바탕으로 에너지 불균형을 추정하는 데 사용된다. 이 공식은 기후 모델에서 온실가스가 기후 시스템에 미치는 영향을 수치로 나타내기 위해 개발되었다. 가장 널리 사용되는 공식 중 하나는 Myhre et al. (1998)가 제안한 공식으로, 이는 IPCC에서 여러 보고서를 통해 사용되었다.15)계산 공식은 다음과 같다.
ΔF=5.35⋅ln(C÷ C0)
ΔF(델타 에프)는 복사 강제력의 변화량 (W/m²), 즉 복사 강제력(ΔF)은 지구 에너지 균형의 변화를 나타내는 물리량으로서 산업화 이후의 변화량을 말한다. 이는 대기 중 온실가스 농도 변화로 인해 지구가 흡수하거나 방출하는 에너지 양의 차이를 나타낸다. 단위는 W/m² (제곱미터당 와트)을 사용하며 1초 동안 1㎡의 면적에 가해지는 에너지의 양을 말한다. 여기서 Δ (델타)는 변화량을 나타내는 기호로, "기존 상태와 새로운 상태 간의 차이"를 의미한다.
5.35은 CO₂의 민감도 상수)16) 나타낸다. CO₂ 농도의 로그 변화에 대해 복사 강제력이 나타내는 민감도는 여러 기후 모델 및 대기 복사 계산 결과를 바탕으로 추정된 경험적 값이며, 대표적으로 위에서 말한 Myhre et al. (1998)의 연구에서 제안된 수치다. 5.35라는 민감도 계수는 이산화탄소에 특화된 값이며, 메탄(CH₄,=0.036), 아산화질소(N₂O,=0.12) 등 다른 온실가스에는 각각 다른 민감도 상수가 존재한다.
ln(C / C₀)은 자연로그 항을 말한다. ln은 자연 로그 (logₑ), 즉 밑이 'e'인 로그. 지수적 성장을 설명하는 데 자주 사용한다. C / C₀ 에서 C는 현재의 CO₂ 농도 (예: 420 ppm), C₀는 기준이 되는 농도, 즉 산업화 이전 CO₂ 농도 약 280 ppm이다. 현재 CO₂ 농도가 기준 CO₂ 농도, 그러니까 산업화 이전 농도 보다 몇 배 증가했는지를 비율로 측정하고, 이를 자연 로그로 표현한다. 로그 함수는 "같은 배수 증가에 대해 같은 양의 효과"를 갖는 특성이 있어,CO₂가 증가할수록 그 효과는 점점 감소하는 경향을 보인다. 즉, 280 → 560ppm의 효과와 560 → 1120ppm의 효과는 비슷하다.
복사 강제력 수치
현재 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도 420ppm을 기준으로 산업화 이후 복사 강제력을 계산하면 ΔF=5.35⋅ln(420÷280 ) = 5.35⋅ln(1.5) = 5.35⋅0.4055(엑셀에서 “=in(1.5)”를 입력) ≈ 2.17W/m²
2.17 W/m²는 이산화탄소만 고려한 값이고, CO₂ 외의 다른 온실가스(메탄, 아산화질소 등)와 에어로졸 및 기타 요인들을 함께 고려한 종합적인 수치는 이들 주요 온실가스 농도의 급격히 증가로 산업화 이전 대비 현재의 복사 강제력은 약 3.0 W/m² 이상 증가한 것으로 보고되었다. IPCC 2021년 보고서에 따르면, 총 복사 강제력은 산업화 이전에 비해 약 2.7~3.0 W/m²로 증가한 것으로 추정된다.17)
CO₂ 만 고려하면 이는 지구 표면의 단위 면적(m²)마다 초당 2.17와트의 에너지가 더 축적되고 있다는 의미다. 이 수치는 겉보기에 작아 보일 수 있지만, 지구 전체 면적으로 환산하면 이야기가 달라진다. 지구의 표면적은 약 5.1억 km², 즉 510조 m²이다. 이 면적에 2.17W/m²를 곱하면, 지구 전체에 약 1,100테라와트(TW)의 에너지가 추가로 유입되고 있는 셈이다. 이는 현재 전 세계 인류가 사용하는 총 전력의 50배 이상에 해당하는 엄청난 에너지 양이다.
이렇게 유입된 초과 에너지는 대부분 해양에 저장되며, 일부는 지표면과 대기를 데우고 극지방의 빙하를 녹이는 데 사용된다. 그 결과로 나타나는 것이 오늘날 관측되고 있는 지구 평균기온의 상승, 해수면 상승, 극지방 해빙, 폭염과 가뭄, 태풍의 강도 증가 등 기후 재난의 가시화다. 기후과학자들은 일반적으로 CO₂ 농도가 2배 증가할 경우(280ppm → 560ppm), 복사 강제력이 약 3.7W/m²에 도달한다고 보고 있으며, 이는 지구 평균기온이 약 2.5~4.5°C 상승하는 결과를 초래할 것으로 본다. 이 기준에 비추어볼 때, 현재 2.17W/m²의 복사 강제력은 이미 지구가 산업화 이전 대비 약 1.2~1.5°C 정도 더워졌다는 것을 설명해주는 수치이기도 하다.18)
결국 2.17W/m²라는 복사 강제력은 단순한 물리량이 아니라, 지구가 흡수하는 에너지가 방출하는 에너지보다 많다는 경고 신호이며, 우리가 지금 이 순간에도 기후 시스템을 느리지만 확실하게 가열하고 있다는 과학적 증거이다. 그리고 이것이 바로 온실효과가 현재와 미래의 기후위기에서 핵심 개념으로 다루어지는 이유다.
복사 강제력은 지구의 에너지 흐름에 변화를 일으키는 핵심 메커니즘으로, 온실가스 농도 증가로 인해 지구가 더 많은 에너지를 축적하게 되어 기온이 상승하는 과정을 설명한다. 온실효과는 복사 강제력의 결과로 나타나며, 이는 지구의 온도를 상승시키고 에너지 불균형을 초래하는 중요한 원인 중 하나다.(끝)
📌 주(註)
1)https://climate.mit.edu/explainers/radiative-forcing) ↩
2)(https://news.mit.edu/2010/explained-radforce-0309) ↩
3) 성층권(stratosphere)은 지구 대기권의 두 번째 층으로, 대류권(troposphere) 바로 위에 위치하며, 약 10km에서 50km 높이 사이에 걸쳐 있다. 성층권은 기후와 기상에 중요한 역할을 하며, 특히 오존층이 포함된 영역으로 태양의 자외선을 흡수하여 지구 생명체를 보호한다. 성층권에서는 고도에 따라 온도가 상승하는 경향이 있다. 이는 오존층이 태양의 자외선을 흡수함으로써 열을 발생시키기 때문이다. 성층권의 온도 분포는 대류권과는 달리 안정적이다. 성층권은 대류권과 달리 큰 대류 운동이 없기 때문에, 대기 흐름이 상대적으로 평온하고 안정적이다. 이로 인해 기상 현상은 대부분 성층권 아래인 대류권에서 발생한다. 성층권의 중간 부분에 위치한 오존층은 태양으로부터 방출되는 자외선을 흡수하고 분해하여 성층권의 온도 상승에 기여한다. 오존층은 자외선으로부터 지구를 보호하는 역할을 하므로 매우 중요한 영역이다. ↩
4) (https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/WGI_TAR_full_report.pdf) “ 6 Radiative Forcing of Climate Change” 349페이지 ↩
5) (https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/WGI_TAR_full_report.pdf) “ 6 Radiative Forcing of Climate Change” 349페이지 ↩
6) 위 3)과 같은 글 ↩
7) 1. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/chapter-7/?utm_source=chatgpt.com 2. https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance 3. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_energy_budget ↩
8) 들어오는 태양 에너지는 제곱미터당 와트(W/m²)로 측정된다. 예를 들어, 1미터 x 1미터 크기의 정사각형을 땅이나 벽에 놓고 그 위에 매초마다 얼마나 많은 태양 에너지가 떨어지는지를 측정하는 것이 제곱미터당 와트다. ↩
9)들어오는 태양 에너지는 제곱미터당 와트(W/m²)로 측정된다. 예를 들어, 1미터 x 1미터 크기의 정사각형을 땅이나 벽에 놓고 그 위에 매초마다 얼마나 많은 태양 에너지가 떨어지는지를 측정하는 것이 제곱미터당 와트다. ↩
10) 다음 장에서 자세히 다룰 것이다.↩
11) (https://news.mit.edu/2010/explained-radforce-0309) ↩
12) (https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/TAR-06.pdf) ↩
13) 자연적 온실효과 (Natural Greenhouse Effect)는 자연적으로 발생하는 온실효과로, 대기 중의 자연적인 온실가스(수증기, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등)가 지구로 들어온 태양 에너지 일부를 흡수한 후, 지표면으로 재방출하여 지구의 기온을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 이 효과 덕분에 지구의 평균 기온이 섭씨 약 14~15°C로 유지되어 생명체가 살 수 있는 환경이 만들어진다.(이후 “온실효과” 편에서 설명) ↩
14) (https://acp.copernicus.org/articles/20/9591/2020/) ↩
15) (https://www.climatexam.com/single-post/2015/01/27/What-is-the-real-radiative-forcing-value-of-CO2)↩
16) 온실가스별 복사 강제력 계산식에는 각각 고유한 상수가 사용되며, 이 상수는 온실가스의 물리적 특성에 따라 달라진다. 대표적으로 이산화탄소(CO₂)는 5.35, 메탄(CH₄)은 0.036, 아산화질소(N₂O)는 0.12의 상수를 가진다. 이처럼 상수가 서로 다른 이유는 각 기체가 갖는 분자당 복사 에너지(특히 적외선) 흡수 능력의 차이 때문이다. 메탄과 아산화질소는 단위 분자당 에너지 흡수력이 이산화탄소보다 훨씬 크며, 이로 인해 농도가 훨씬 낮음에도 강력한 복사 강제력을 유발할 수 있다.
현재 대기 중 이산화탄소 농도는 약 420 ppm이며, 메탄은 수백 ppb(대표적으로 약 1,800 ppb), 아산화질소는 약 330 ppb 수준이다. 이때 사용되는 ppm(parts per million)과 ppb(parts per billion)는 각각 100만 분의 1과 10억 분의 1을 의미하는 혼합비 단위이다. ppm은 주로 상대적으로 고농도의 기체(예: CO₂)에, ppb는 극소량의 기체(예: CH₄, N₂O) 측정에 사용된다.
예를 들어, "메탄 농도 1,800 ppb"는 대기 중 10억 개의 기체 분자 중 약 1,800개가 메탄 분자임을 의미하며, 이는 1.8 ppm에 해당한다. 같은 방식으로 "N₂O 농도 330 ppb"는 기체 분자 10억 개 중 330개가 아산화질소라는 뜻이다.
비록 메탄과 아산화질소의 농도는 이산화탄소보다 훨씬 낮지만, 이들은 분자당 복사 흡수력이 매우 크기 때문에 복사 강제력에 미치는 영향은 무시할 수 없다. 특히 메탄은 약 12년, 아산화질소는 약 114년의 대기 중 수명을 갖고 있으며, 이산화탄소는 그보다 훨씬 긴 수백 년 이상의 수명을 가진다. 이로 인해 각 온실가스는 농도, 수명, 복사 효율이라는 세 가지 요소의 복합 작용을 통해 지구 에너지 균형과 기후 시스템에 서로 다른 방식으로 기여하게 된다.
참고로 Myhre et al. (1998)는 학술지 "Geophysical Research Letters 25권 14호, 2715–2718, 1998"를 말하는 것으로 다양한 온실가스에 대한 복사 강제력을 복사 전달 모델(RT model)을 통해 수치화하고, 이를 로그 함수 형태로 단순화한 공식이 소개되었다. 관련 사이트 https://thundersaidenergy.com/2022/09/07/how-does-co2-increase-global-temperature/?utm_source=chatgpt.com ↩
17) 1. (https://www.realclimate.org/index.php/archives/2022/09/a-ceres-of-fortunate-events/)
2. (https://gml.noaa.gov/aggi/aggi.html) ↩
18)
IPCC AR6 제6차 평가보고서 (Chapter 7: Radiative Forcing
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