4. 복사 에너지 예산: 기온의 진화와 에너지 흐름의 균형

복사 에너지 예산은 지구에 유입되는 태양 복사 에너지와 방출되는 에너지 간의 균형을 설명하는 개념으로, 지구 평균기온 14~15°C 유지의 물리적 기반이다.

지구 기온의 역사적 진화는 대기 조성과 태양 복사의 변화, 그리고 온실기체의 작용에 따라 형성되어 왔으며, 산업혁명 이후 이산화탄소(CO₂)증가로 인한 급격한 기온상승은 자연적 온실효과를 넘어섰다.

오늘날 CO₂농도 증가는 지구가 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수하게 만들어 지구온난화를 유발하며, 이는 온실가스 증가에 따른 온실효과 강화 때문이다.

제3장 온실효과

이제 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도 증가가 지구 기온 상승에 어떤 영향을 미치는지 설명했으니, 다음으로는 온실효과가 지구의 평균 기온을 어떻게 상승시키는지에 대해 설명할 것이다. 온실효과를 이해하려면 그 근본 원인 중 하나인  복사 에너지 예산((Radiative Energy Budget)과 복사 강제력(Radiative Forcing)의 개념1)을 먼저 파악하는 것이 중요하다. 이번 장은 복사 에너지 예산에 대해 설명한다.

복사 에너지 예산 2)은 지구의 에너지 균형을 설명하는 개념으로, 지구 시스템이 흡수하는 태양 에너지3)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 복사 에너지로 우주에 다시 방출한다.

하지만 지구의 평균 기온이 14~15°C 으로 안정적으로 유지될 수 있었던 것은 지구 탄생 초기부터 시작된 오랜 진화 과정의 결과물이다.  

복사 에너지 예산에 관한 설명 전 지구 기온의 진화 과정을 살펴보자.

지구 대기의 기원과 기온의 진화4)

행성이 태어났을 때였다. 그 시기의 지구는 뜨겁고 불안정한 마그마의 행성이었으며, 대기는 아직 형성되지 않았거나 있었다 해도 금세 우주로 날아가는 얇은 수소·헬륨층에 불과했다. 이렇게 지구의 생명은 말할 것도 없고, 바다조차 존재하지 않던 시기를 지나, 마침내 대기가 만들어졌다.

처음 지구가 가졌던 대기는 태양 성운에서 잡아들인 수소(H₂)와 헬륨(He)으로 이루어진 이른바 '1차 대기'였다. 하지만 이 기체들은 지구 중력이 너무 약했던 탓에 오래 붙들 수 없었고, 강력한 태양풍에 쓸려 우주로 흩어졌다. 이후 지구 내부에서 일어난 격렬한 화산활동은 지구 내부의 가스를 분출시켰다. 이로부터 대기 형성의 진짜 시작, 즉 '2차 대기'의 시대가 열린다.

이 시기의 대기는 지금과 달리 산소는 거의 없었고, 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂), 메탄(CH₄), 황화수소(H₂S) 등 온실기체와 환원성 기체들로 채워져 있었다. 지구는 이제 비로소 대기를 가진 행성이 되었고, 수증기가 응축되며 빗방울이 떨어지기 시작했고, 수억 년에 걸쳐 마침내 바다가 만들어졌다.

지구 초기의 태양은 지금보다 약 30% 어두웠다. 이론적으로만 본다면, 당시 지구의 온도는 –40℃ 이하로 떨어져야 했다. 하지만 지질학적 증거에 따르면 약 38억 년 전 이미 액체 상태의 물이 존재했고, 이는 기온이 0℃ 이상이었다는 뜻이다. 이 모순에 대하여 과학자들은 "희미한 태양의 역설(Faint Young Sun Paradox)"이라고 부른다.5)

그 해답은 다름 아닌 강력한 온실효과였다. 당시 대기에는 지금보다 훨씬 많은 양의 CO₂와 수증기가 존재했으며, 특히 산소가 거의 없었기 때문에 메탄과 암모니아 같은 기체도 쉽게 분해되지 않고 대기에 머물렀다. 이들은 태양 복사 에너지로 달아오른 지표가 방출하는 적외선 복사(장파 복사)를 흡수하고, 그 에너지를 다시 지표로 재방출함으로써 지구의 온도를 효과적으로 유지시켜 주었다.

한편, 초기 지구는 육지가 거의 없었고 표면 대부분이 어두운 색의 마그마나 물로 덮여 있었다. 이로 인해 지구의 반사율(albedo)은 지금보다 낮았고, 태양 에너지를 더 많이 흡수했다. 이 역시 온실기후 유지에 기여한 요인이다.

결국 이 강력한 온실효과 덕분에 태양이 약했음에도 불구하고, 지구는 액체 상태의 물을 간직한 채 생명의 요람이 될 수 있는 환경이 되었다.

지구가 태어난 지 약 20억 년이 지난 어느 시점, 지구 대기에는 처음으로 산소(O₂)가 등장하기 시작했다. 이는 시아노박테리아(남세균)가 광합성을 통해 대기 중 CO₂를 흡수하고 산소를 방출하면서 벌어진 대전환 사건이었다. 그러나 이 변화는 처음부터 생명에게 긍정적이지만은 않았다.

산소는 대기 중 메탄을 산화시켜 제거했고, 이는 곧바로 지구의 온실효과를 약화시켰다. 이로 인해 약 23억 년 전, 지구는 전체가 얼어붙는 휴로니안 빙하기(Huronian Glaciation)를 겪게 된다. 이 빙하기는 스노우볼 어스(Snowball Earth)의 초기 사례로 여겨지며, 전 지구적 결빙 가능성이 제기된다. 산소의 축적은 이후 수억 년에 걸쳐 서서히 진행되었고, 지구 대기 조성은 다시금 진화의 궤도에 올랐다.

약 5억 4천만 년 전부터 시작된 고생대(캄브리아기)에는 생물의 다양성이 폭발적으로 증가했고, 기후도 수억 년 단위로 오르내렸다. 오르도비스기 말기에는 CO₂ 농도의 급감과 남반구 대륙의 극지 이동으로 빙하기가 발생했고, 석탄기에는 광범위한 식물 생명체가 대기 중 CO₂를 대량으로 흡수하여 다시 한 번 극지에 빙상이 형성되었다.

그러나 약 2억 5천만 년 전, 시베리아에서 일어난 초대형 화산활동은 대기 중으로 수천 기가톤의 CO₂를 방출하며 지구를 다시 온실기후로 돌려세웠다. 이 사건은 페름기 대멸종이라는 비극을 불러왔지만, 이후 약 1억 5천만 년 동안의 중생대 지구 평균기온은 20~27℃ 수준에 달했고, 극지방에조차 얼음이 없는 상태가 되었다.

신생대에 접어들며 지구는 점차 냉각되었다. 남극 대륙이 고립되면서 남극 순환류가 형성되었고, 대기 중 CO₂는 점진적으로 감소하였다. 그 결과 약 3천만 년 전부터는 남극 빙상이 본격적으로 형성되었고, 약 1500만 년 전 마이오세 중기에는 현재와 비슷한 수준의 평균 기온이 형성되었고, 이후 플라이오세에 접어들며 빙하기-간빙기 주기가 반복되는 기후 체계가 자리잡았다.

마지막 빙하기인 플라이스토세, 그리고 약 15만 년 전 호모 사피엔스의 출현 무렵에는 이미 생명이 살기 적합한 기후 조건이 갖춰져 있었다. 이 지질시대가 끝나는 약 1만 2천 년 전부터 현재까지는 간빙기인 홀로세(Holocene)에 해당하며, 인류 문명이 등장하고 농경사회가 발달한 안정된 기후 환경이다.

마지막 빙하기가 끝난 약 1만 2천 년 전부터 현재까지의 간빙기, 홀로세(Holocene)는 인류가 농경과 문명을 시작할 수 있었던 드문 기후 안정기이다.

하지만 이 안정성도 오래가지 않았다. 산업혁명 이후 인류가 화석연료를 태우기 시작하면서, 대기 중 CO₂ 농도는 280ppm에서 420ppm을 돌파하였고, 지구 평균기온은 불과 150년 만에 약 1.5°C 상승하였다. 지구 수십억 년 기후사에서 볼 때, 지금과 같은 급격한 상승은 자연적 기후변동의 속도와 범위를 초월하는, 인위적 기후 불균형이라 할 수 있다.

지구의 기후는 처음부터 안정되지 않았다. 대기의 형성, 온실기체의 조절, 생명과 기후의 상호작용, 그리고 지질학적 사건들이 복합적으로 작용하여 오늘날의 '살 만한 행성'이 형성되었다. 지구의 기후는 대기와 대기 속의 기체, 그리고 그것을 만들어낸 지질과 생물의 역사적 산물이다. 지금 우리가 살고 있는 14~15°C 의 기온도, 우연히 주어진 것이 아니라 수십억 년에 걸쳐 만들어진 정교한 에너지 균형의 결과다. 

그럼 이제부터  수백만 년 동안 지구의 평균기온이 14~15°C가 형성되고 유지되는 메커니즘, 즉 복사 에너지 예산이 어떤 과정을 거쳐 지구의 에너지 흐름을 조절하며, 결과적으로 지금의 기후 안정 상태를 만들어내는지를 그 메커니즘을 살펴보자.

복사 에너지 예산

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)이라고 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. 나머지 240 W/m²는 지구 시스템이 흡수하는데, 그중 약 23%(78 W/m²)는 대기가 직접 흡수하고, 약 48%(163 W/m²)는 지표면이 흡수한다. 

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, 약 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.6) 

하지만 실제로 지표면은 순 복사보다 훨씬 많은 양의 열복사 에너지를 대기로 방출한다. 그 방출 복사량은 평균 지표 온도 약 15°C를 기준으로 스테판-볼츠만 법칙7)에 따라 계산된 390 W/m²다. 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.8) 역방사량은 지표에서 방출되는 복사 에너지와 거의 균형을 이루며, 결국 지표면이 우주로 방출하는 실제 순상향 복사량은 66 ~ 50W/m²(열적외선 순 복사 약 17% )수준이다.

이처럼 지표면과 대기 간의 복사 에너지 교환은 단순한 방출이 아니라 지속적인 상호작용과 역방사 과정을 통해 이뤄지며, 이것이 바로 자연적인 온실 효과의 핵심이다. 즉, 대기 중 온실가스는 지표면에서 올라오는 열적외선을 흡수한 뒤 일부를 우주로 방출하고, 일부는 다시 지표면으로 되돌려보냄으로써 지표 온도를 평균 약 14~15°C 수준으로 유지시켜 준다.

복사 에너지 예산을 종합해서 도식을 그리면 다음과 같다.

340 W/m² (태양 복사 유입)
 ├── 반사: 100 W/m² (29%)
 └── 흡수: 240 W/m² (71%)
     ├─ 대기: 78 W/m²
     └─ 지표: 163 W/m²
            ├─ 증발: 85 W/m²
            ├─ 대류: 17 W/m²
            └─ 순복사: 50~66 W/m²
 우주 방출:
      ├─ 대기: 200 W/m²
      └─ 지표 직접 방출: 40 W/m²
▶ 총 240 W/m² → 복사 평형 유지

복사 에너지 예산의 과학적 의미

지구 기후 시스템은 단순한 유입-복사-방출의 반복이 아니다. 적도에서 극지방으로의 열 재분배, 지표면과 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 복사 특성에 의해 해소된다. 즉, 증발과 대류에 의해 약 30%, 지표면이 발생하는 열적외선 복사 에너지 약 17% 중 5~6%는 대기가 가두어 지표면과 교환하고 나머지 약 12%만이 지표면이 대기를 거치지 않고 직접 우주로 방출한다. 어쨌든 지구 시스템은 태양으로 부터 유입되는 에너지의 71%에 해당하는 240W/m²만을 지표와 대기를 통해 우주로 보낸다.

이 과정이 지구의 대기와 지표면이 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 예산의 의미는 에너지 유입 = 유출이면 기후는 안정되고, 에너지 유입 > 유출이면 지구는 가열되며(온난화) 에너지 유입 < 유출이면 냉각된다는 뜻이다.

💡 이어서 설명할 복사 강제력과 관련하여 설명하면!
복사 에너지 예산은 “기후 시스템의 상태”를 설명하는 물리적 개념이고, 복사 강제력은 “왜 그 상태가 변화했는가”를 설명하는 원인 분석 도구다.

📌 주(註)

1) 복사 에너지 예산 · 복사 강제력에 관한 내용은 아래 사이트 참고

NASA EONASA Earth Observatory – Earth’s Energy Balance
IPCCIPCC AR6 WG I – Ch. 7 Energy Budget, Feedbacks & Sensitivity
WikiWikipedia – Earth’s energy budget  ↩

2) 복사 에너지 예산에 관한 내용도 주1)과 같은 맥락에서 설명

IPCCipcc.ch   |   NASA EOearthobservatory.nasa.gov   |   Wikien.wikipedia.org ↩

3) 태양 복사 단위는 “제곱미터당 와트(W/m²)”이며 1 m × 1 m 면에 1 초당 떨어지는 에너지량을 뜻한다. 복사 플럭스(복사 에너지 흐름)를 비교할 때 기본 단위로 사용한다.↩

4) 지구 기온의 진화를 설명하는 지질 시대별 기후 사이트는 아래와 같다.

Britannica Hadean / Archean 온도
Nature Edu. 초기 해수·대기
Wiki Snowball Earth (Cryogenian)
Wiki Greenhouse / Icehouse 주기
PALEOMAP Phanerozoic T Curve
Wiki Paleozoic 온난·빙하기
Wiki Mesozoic “Hothouse”
Wiki Late Cenozoic Ice Age
NASA GISS 1850–2024 Global T ↩

5) 천문학자들은 핵융합·에너지수송·중력수축 방정식을 풀어 태양의 연령별 광도를 계산한다. 그 결과, 지구 탄생 직후(약 45 억 년 전) 태양 복사출력은 현재보다 약 30 % 낮았다. 태양의 광도 증가는 핵융합이 만드는 ‘헬륨 재’를 품은 별의 자기 진화다. 초기에는 핵융합이 덜 활발하여 햇빛이 약했으나, 핵이 조밀해지고 뜨거워지면서 오늘날의 밝기에 이르렀다. 이 간단하면서도 보편적인 별의 진화 법칙이 바로 30 % 어두웠던 젊은 태양의 이유다. NASA NASA Astrobiology Program GSA↩

6) 위성 관측을 기반으로 "매초 240Wm⁻² 가 우주로 방출되고 있다"는 연구 자료가 있는 사이트다.

CERES TOA LW = 239.6 W m⁻² (2000–2010) Tech Note PDF
EE Greenhouse effect (대기 255 K ≈ 240 W m⁻²) ↩

7) 스테판–볼츠만 법칙은 『지구온난화 메커니즘 6: 자연적 온실효과』 주 5)와 『지구온난화 메커니즘 8: 복사 에너지 균형』 주 6)을 참조↩

8) 지구 평균 기온 14~15°C일 때 지표와 대기 간 순환 과정을 통해 390W m⁻²가 대기로 보내지고 이 중 324~340W m⁻²가 다시 지표로 '역방사(back radiation)되는 과정을 관측하고 분석한 사이트다.

AGU Reviews of Geophysics (ROG) 리뷰 논문
NASA EO Atmosphere’s Energy Budget 인포그래픽
BAMS Trenberth et al. 2009 PDF
ClimDyn Wild et al. 2013 PDF
CERES EBAF Ed 4.1 Surface Flux DQS ↩

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