온실효과
온실효과는 지구 표면 근처에서 온실가스라고 불리는 물질들이 열을 가두는 과정이다. 이러한 온실가스들은 지구를 둘러싸는 따뜻한 담요와 같은 역할을 하여, 지구의 온도를 따뜻하게 유지하는 데 도움을 준다. 주요 온실가스에는 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 오존(O₃), 아산화질소(N₂O), 염화불화탄소(CFCs), 그리고 수증기(H₂O)가 포함된다. 이 중 수증기는 온도 변화에 반응하며, 초기 온난화를 유발한 힘을 증폭시키는 역할을 하기 때문에 '피드백'으로 간주된다.1)
이러한 온실효과는 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도를 증가시키고 지구의 평균 기온을 상승시키는 과정을 설명된다. 온실효과는 두 가지로 설명된다. 자연적 온실효과와 인위적 온실효과다.
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 유지2)되어 생명체가 살 수 있는 환경이 만들어진다. 이 과정은 지구 생태계에서 필수적이며, 자연적인 대기 현상이다.
반면 인위적 온실효과 (Anthropogenic Greenhouse Effect)는 인간의 산업 활동으로 인해 온실가스의 농도가 급격히 증가하면서 발생하는 추가적인 온실효과이다. 화석 연료의 연소, 삼림 벌채, 공업 생산 등이 주요 원인이다. 이로 인해 대기 중 온실가스 농도가 자연적인 수준을 넘어서는 결과를 낳았고, 이는 지구 온난화 및 기후 변화의 주요 원인으로 작용하고 있다. 특히 이산화탄소(CO₂)와 메탄(CH₄)의 농도가 산업화 이후 급격히 증가했다.
자연적 온실효과는 자연적으로 발생하며 지구의 기후를 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할을 하지만, 인위적 온실효과는 인간의 활동으로 인해 발생하여 자연적인 기후 균형을 깨뜨린다.
자연적 온실효과가 없었다면 지구는 매우 추운 행성이 되었을 것이지만, 인위적 온실효과는 지구를 과도하게 따뜻하게 만들어 기후 변화와 관련된 문제를 초래하고 있다.
자연적 온실효과(Natural Greenhouse Effect)
온실효과란?
온실효과(Greenhouse Effect)는 태양에서 오는 복사에너지(태양열)가 지구 대기에서 흡수된 후 일부가 우주로 빠져나가지 못하고, 대기 중에 갇혀 지구를 따뜻하게 만드는 자연적 현상이다. 이 과정은 마치 온실의 유리가 열을 가둬 내부를 따뜻하게 만드는 것과 비슷하기 때문에 “온실효과”라고 한다.3)
19세기 프랑스의 수학자이자 물리학자 장 밥티스트 조제프 푸리에Jean-Baptiste Joseph Fourier는 열 전달과 관련된 수학적 모델을 연구하면서 ‘온실효과(greenhouse effect)’ 개념의 기초를 제시했다.
푸리에는 지구의 크기나 태양과의 거리를 고려했을 때 지구 온도가 이렇게 높을 수 없다는 결론을 내리고, 태양열 외에도 지구의 온도를 더 따뜻하게 해주는 요인이 있어야 한다고 생각했다. 푸리에는 가시광선과 자외선을 통해 태양에너지가 지구까지 쉽게 전달되어 지구의 온도를 높이는 반면, 지표면에서 방출되는 적외선 에너지가 쉽게 빠져나가지 않는다는 것을 깨달았다. 이 이론에 따르면 대기에는 가시광선과 자외선 등 따뜻한 에너지는 들어오고, 반대로 적외선은 빠져나가지 않아 온실에 가두는 듯한 단열효과를 낸다.4) 이것이 대기5)의 존재 이유다.
대기는 공기 분자6)들로 이루어져 있으며, 이 분자들은 태양에서 오는 에너지 중 일부만 흡수한다. 대부분의 태양 에너지는 지표면에 도달해 지구를 따뜻하게 만들지만, 지구가 흡수한 에너지는 다시 적외선 형태로 방출된다. 그런데 대기의 공기 분자들은 이 적외선 형태의 에너지, 즉 열 복사에너지를 거의 전부 흡수하게 된다.
온실가스
온실효과 발생에 큰 영향을 미치는 대기 분자는 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O) 등이다. 우리는 이것을 온실가스라고 부른다.
이 중 자연적 온실효과에 미치는 영향은 수증기(H₂O)가 약 60~70%, 이산화탄소(CO₂)가 약20~30%의 영향을 미치고 메탄(CH₄) 약 4~9%, 아산화질소(N₂O) 5% 미만의 비중을 차지한다. 자연적 온실효과에서는 이산화탄소(CO₂)의 영향이 아직 미미하다.7)
대기는 온실가스들이 흡수한 열 복사에너지를 다시 방출하는데, 일부는우주로 방출되지만 일부는 지표면으로도 되돌려 보낸다. 대기에서 지표면으로 되돌아오는 에너지를 '대기의 역방사'라고 부른다.
역방사 덕분에 지구 표면은 태양에서 오는 에너지에 더해 추가적인 에너지를 얻게 되며, 그 결과로 지표면의 온도가 더 올라가게 된다. 이것이 바로 온실효과다. 요약하면, 대기가 마치 온실처럼 지구를 감싸고 있어 열을 가두어 지구를 따뜻하게 유지시켜주는 역할을 한다는 것이다.
자연적 온실효과는 지구의 온도를 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 온실효과가 없다면, 지구의 평균 기온은 약 -18°C로 떨어져 생명체가 살기 어려운 환경이 되었을 것이다.8)하지만 대기의 자연적 온실효과로 인해 지구의 평균 기온은 약 14~15°C로 지구에 대기가 없을 때보다 33°C 이상 높다.9)
자연적 온실가스 메커니즘
이상과 같이 자연적 온실효과 메커니즘을 요약하면 다음과 같다.태양 복사에너지 유입
태양에서 지구로 들어오는 에너지는 주로 가시광선 형태로 지구 표면에 도달하여 지표면을 따뜻하게 만든다. 온도가 약 5,800도인 태양에서 지구에 도달하는 광선은 주로 청색에서 녹색 사이이며10)파장이 0.5마이크로미터 정도인 가시광선이나 자외선 등의 단파복사다. 11)지구의 복사에너지 방출
지구 표면은 태양 에너지를 흡수한 후 이를 다시 열적외선 복사에너지 형태로 대기로 방출한다. 태양보다 차가운 지구는 적외선 장파복사를 방출하는데, 이는 파장이 3~50마이크로미터 정도이며 비가시광선이다.12)온실가스의 열 복사(적외선) 에너지 흡수13)
열적외선 복사 에너지는 대기 중의 온실가스(이산화탄소(CO₂), 메탄, 수증기, 아산화질소 등)에 의해 흡수된다. 그 메커니즘은 다음과 같다.
지구 표면은 태양 에너지를 흡수한 후 이를 다시 열적외선 복사에너지 형태로 대기로 방출한다. 태양은 표면 온도가 약 5,800K에 이르는 고온 천체로, 주로 0.3~2.5마이크로미터(μm) 범위의 단파복사(shortwave radiation), 즉 자외선·가시광선·근적외선 형태의 강한 에너지를 방출한다. 이 중 대부분은 대기층을 통과해 지표면에 도달한다.
반면, 태양보다 훨씬 차가운 지구(평균 온도 약 288K, 15°C)는 이 에너지를 흡수한 뒤 4~50μm 범위의 장파복사(longwave radiation) 형태로 다시 방출한다. 이 복사는 비가시광선 영역의 적외선이며, 중심 파장은 약 10μm 전후이다. 따라서 태양과 지구는 모두 복사를 통해 에너지를 교환하지만, 방출하는 파장과 에너지의 질이 본질적으로 다르다.
지구 복사 에너지는 방출 즉시 우주로 빠져나가는 것이 아니라, 대기 중에 존재하는 온실가스(이산화탄소, 메탄, 수증기, 아산화질소 등)에 의해 선택적으로 흡수된다. 이는 단순한 기체 흡수가 아니라, 온실가스 분자가 지닌 진동 및 회전 에너지 준위와 정확히 일치하는 파장의 적외선에 한정된다.
예를 들어 이산화탄소(CO₂)는 약 15μm, 메탄(CH₄)은 약 7.7μm, 수증기(H₂O)는 5~8μm 및 12μm 이상의 복사 에너지를 흡수할 수 있으며, 이 파장대는 지구 복사 에너지의 주 범위와 겹친다. 즉, 지구 복사 에너지 방출이 집중되는 구간은 8~15μm이고, 정점은 10μm이며 이곳이 바로 CO₂, H₂O, CH₄ 등 온실가스의 흡수대와 겹치는 구간이다. 이는 마치 지구를 덮고 있는 대기 속에 파장별로 다른 크기의 구멍을 가진 그물망이 펼쳐져 있는 것과 같다.
태양복사와 같은 짧은 파장(단파)의 에너지는 이 그물망의 구멍을 쉽게 통과해 지표면에 도달하지만, 지표에서 방출되는 긴 파장(장파)의 복사 에너지는 그물망의 특정 구멍에 걸려 쉽게 빠져나가지 못한다.
온실가스들은 장파복사의 파장대에 ‘맞춤형 그물’을 가지고 있어,지구가 방출하는 복사 에너지를 정확히 포착하여 흡수하고, 다시 대기와 지표면 방향으로 재방출한다. 하지만 복사 에너지를 그물망 속에 가두는 양이 많아지게 되면 우주로 방출되지 못하고 많은 양이 지표면으로 역방사되어 그 결과 지구 시스템 내부에 에너지가 점점 축적되어 지구 온도가 상승하게 된다.
결국, 이 정밀한 그물망의 존재가 지구 복사 에너지의 자유로운 방출을 방해하며, 바로 이것이 온실효과(Greenhouse Effect)의 본질적 작동 원리라 할 수 있다. 간단히 말하면 지구가 따뜻해지거나 더워지는 이유는 대기 중 온실가스가 지구에서 방출된 적외선(장파 복사)을 흡수(그물망에 가두는)하는 속성 때문이다.
요약하면, 지구 표면에서 방출된 장파 복사 에너지는 대기 중의 온실가스에 의해 선택적으로 흡수된다. 온실가스 분자들은 특정 파장의 적외선을 흡수한 뒤, 그 에너지를 모든 방향으로 재방출한다. 이 과정은 우주로 향하던 복사 에너지의 흐름을 지연시키고, 일부는 다시 지표면으로 되돌아가게 함으로써, 지구 대기 시스템 내에 열복사 에너지를 더 오래 가두는 작용을 한다.
이 메커니즘은 마치 파장별로 구멍 크기가 다른 정밀한 ‘그물망’을 대기 중에 펼쳐 놓고, 특정한 열복사만 걸러내는 구조에 비유할 수 있다. 이처럼 흡수와 재방출을 반복하는 과정이 바로 온실효과의 핵심 원리이며, 산업화 이후 온실가스 농도가 증가함에 따라 지구는 원래 우주로 방출돼야 할 에너지를 더많이 대기 내에 가두게 되었다. 이로 인해 복사 에너지의 불균형이 발생하고 결국 지표면 온도의 상승, 즉 지구온난화로 이어진다.
대기의 역방사
온실가스는 흡수한 에너지를 다시 모든 방향으로 방출하는데, 이 중 일부는 지구 표면으로 되돌아오면서 즉 역방사되면서 지표면을 더 따뜻하게 만든다. "역방사"에 대해서는 앞장 "복사 강제력" 편 참조하기 바라며 다시 설명하면 다음과 같다.
지구는 태양으로부터 연평균 약 340 W/m²의 복사에너지를 받는다. 이 에너지 중 약 29%에 해당하는 100 W/m²는 구름, 대기, 해빙이나 눈과 같은 밝은 지표면에 의해 반사(알베도 효과)되어 우주로 즉시 빠져나가며, 나머지 71%, 즉 약 240 W/m²의 에너지만 지구 시스템에 흡수된다. 이 중 약 78 W/m²는 대기가 직접 흡수하고, 약 163 W/m²는 지표면이 흡수한다.
지표면은 이렇게 흡수한 태양에너지를 열로 변환한 뒤 다시 대기로 방출한다. 지구 표면의 평균 온도(약 섭씨 15도)에 해당하는 복사량은 약 390 W/m²이며, 이는 스테판-볼츠만 법칙에 따라 계산된 값이다. 이 에너지는 열적외선의 형태로 방출되며, 대기는 이를 대부분 흡수한다.
대기는 단지 에너지를 흡수하는 것만이 아니라, 그 흡수한 에너지를 사방으로 방출한다. 이때 대기에서 지표면을 향해 다시 내려보내는 복사 에너지를 "역방사(back radiation)"라고 한다. 역방사는 지표면에 추가적인 에너지를 공급하여, 태양 복사만으로 따뜻해질 때보다 더 높은 온도를 유지하게 만든다. NASA와 같은 여러 위성 관측과 대기 복사 모델에 따르면, 이 역방사의 양은 평균 약 324 W/m²~340W/m²로 측정된다. 즉, 지표면은 위로 390 W/m²를 방출하지만, 아래로 다시 평균 약 324 W/m²~340W/m²를 받기 때문에 실제로 잃는 에너지는 약 66 W/m²~50W/m²에 불과하다.
이러한 에너지 흐름은 지구 표면이 단지 태양열만으로 가열되는 것이 아니라, 대기로부터 역방사를 추가로 받아 더 따뜻해지고 있다는 사실을 보여준다. 이처럼 지표면과 대기 사이의 에너지 교환 과정에서 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 자연적인 "온실 효과"다.
온도 유지
이 과정으로 지구는 대기권 안에 열을 가두어, 즉 자연 온실 효과 덕분에 지구 표면은 대기 없이 예상되는 -18°C가 아니라 평균 약 15°C를 유지한다.(끝)📌 주(註)
1) (https://science.nasa.gov/climate-change/faq/what-is-the-greenhouse-effect/)↩
2) (https://science.nasa.gov/climate-change/faq/what-is-the-greenhouse-effect/)↩
3) (https://science.nasa.gov/climate-change/faq/what-is-the-greenhouse-effect/)↩
4) 모집 라티프 지음, 김지유 옮김, 『핫타임』, 씨마스21, 2022년↩
5) 온실효과와 관련하여 지구와 가까운 금성과 화성의 대기압을 비교하면 다음과 같다.
금성의 대기압은 지구의 약 92배로, 표면에 엄청난 압력을 가하고 있다. 금성의 대기는 태양으로부터 받는 복사에너지를 흡수한 후, 이 에너지가 지표면에 도달한 후에 반사되어 다시 우주로 나가려 할 때 대부분의 복사에너지가 이산화탄소(CO₂)에 의해 차단된다. 이로 인해 지표면에 남는 열이 축적되면서 금성의 온도가 극도로 상승한다. 이 과도한 온실효과로 인해 금성의 표면 온도는 약 465°C에 달하며, 이는 납이 녹을 정도로 높은 온도다. 금성은 태양계 내에서 가장 뜨거운 행성이다.
화성의 대기압은 지구의 약 0.6%밖에 되지 않으며, 이는 지구의 대기압에 비해 매우 얇은 대기를 의미한다. 화성 대기도 금성과 마찬가지로 이산화탄소(CO₂)가 대다수이지만, 그 양이 적고 대기 밀도가 낮아 화성의 온실효과는 매우 약하다. 태양 에너지가 화성 표면에 도달해도 대기가 희박해 지표면에서 반사되는 열을 충분히 가두지 못하므로, 대부분의 에너지가 우주로 쉽게 방출된다. 이로 인해 화성의 평균 표면 온도는 약 -60°C로 매우 춥다. 낮과 밤의 온도 차이도 극심하며, 밤에는 온도가 더 극도로 떨어진다. ↩
6) 지구 대기의 주요 성분은 질소(N₂) 78%, 산소(O₂) 21%, 아르곤(Ar, 비활성 기체) 약 0.93%, 이산화탄소(CO₂) 약 0.04%, 수증기(H₂O) 약 0%에서 4%, 기타 오존(O₃), 메탄(CH₄) 들로 구성되는데, 이중 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 수증기(H₂O) 등의 기체 분자들은 지구가 방출하는 복사에너지를 흡수하여 지구 표면의 열을 가두는 온실효과의 핵심기체들이다. ↩
7) 모집 라티프 지음, 앞의 책↩
8) 영하 18°C는 지구가 받는 태양 총 에너지를 지구가 매초 240w씩 방출한다는 전제하에 계산된 섭씨 온도다. 여기서 240W/m²는 대기가 없을 때 지구가 방출하는 복사에너지다.
지구는 태양으로 받은 복사에너지를 다시 단위면적당(m²) 평균 240w를 우주로 방출한다. 이 수치에 해당하는 지구의 온도는 스테판-볼츠만 법칙에 의해서 계산하면 -18°C가 나온다.
스테판-볼츠만 법칙은 물체가 방출하는 복사에너지와 그 물체의 절대 온도(K) 사이의 관계를 나타낸다. 스테판-볼츠만 계산식은 E=σT4이다. 이 식에 따르면 E는 단위(W/m²)당 방출되는 복사에너지 240w를 말하고, 소문자 시그마(σ)는 스테판-볼츠만 상수(5.67×10−8W/m2K4)이고, T4는 물체의 절대온도(K)의 네제곱를 말한다.
지구가 단위 면적당 240W/m²의 복사에너지를 방출할 때, 지구의 온도를 계산할 수 있다. 이 경우 E = 240W/m2이고 스테판-볼츠만 법칙을 사용하면 240=(5.67×10−8)×T4의 방정식을 얻는다. 이 식에서 T값을 산출하여야 한다. 그러면 T4=240 ÷ 5.67×10−8의 등식이 성립한다. 이 식을 풀려면 구글에서 “240 divided by 5.67e-8”로 또는 엑셀에서 “=240 / (5.67 * 10^-8)”로 입력하면 4232804232.8라는 숫자가 계산되어 나오고 이는 지구의 절대온도 T의 네제곱이 4,232,804,232.8이므로, 이를 풀어서 T 값을 구하려면 4제곱근을 구해야한다.
T4=4,232,804,232.8이므로, T는 이 값의 4제곱근이다. 즉 4232804232.8의 4제곱근이므로 이 값을 산출하려면 구글에서 “4th root of 4232804232.8”라고 입력하던가, 엑셀에서 “=4232804232.8^(1/4)”라고 입력하면 255.06라는 결과값을 얻게 된다. 이는 이는 수학적으로 4232804232.8을 네 번 곱해서 그 결과값이 4232804232.8이 되는 수를 찾는 것이다. 결과값은 255.06이다. 그러니까 물체의 절대온도는 255.06K이다.
이 절대온도(켈빈, K)를 섭씨온도로 변환하려면 다음 변환식을 사용한다.
TCelsius =TKelvin − 273.15 여기서 절대온도 T=255.06K이므로 TCelsius =255.06K−273.15=−18.09°C가 된다. 따라서, 복사에너지가 240W/m² 방출될 때 지구의 온도는 섭씨 약 -18°C가 된다.
절대 영도(0K,숫자 “0”)는 섭씨 -273.15°C에 해당하며, 이를 기준으로 켈빈(K)에서 섭씨로 변환할 때 273.15를 빼고, 반대로 섭씨에서 켈빈으로 변환할 때는 273.15를 더한다.↩
9)https://science.nasa.gov/climate-change/faq/what-is-the-greenhouse-effect/)↩
10) 파란색은 녹색보다 공기 분자에 의한 산란 감도가 높기 때문에 하늘이 파란색으로 보이는 것이다.↩
11) 태양에서 방출되는 복사 에너지는 다양한 파장의 전자기파로 구성되어 있으며, 그중 지구에 도달하는 에너지는 대부분 자외선(UV), 가시광선(Visible), 적외선(IR) 세 영역에 집중되어 있다. 전체 에너지 중 약 7~8%는 자외선으로, 파장이 짧고 에너지가 강한 복사선이다. 이 중 대부분은 성층권의 오존층에 의해 흡수되어 지표까지 도달하는 양은 적지만, DNA 변형, 피부 손상, 비타민 D 합성 등에 중요한 생물학적 영향을 미친다. 가장 큰 비중을 차지하는 것은 약 42~43%의 가시광선이다. 이는 인간의 눈에 보이는 빛으로, 광합성 작용의 주요 에너지원이며 지구의 에너지 흐름에서 중심적인 역할을 한다.또한 약 49~50%에 달하는 적외선은 열 에너지의 형태로 작용한다. 이 에너지는 지표면과 대기 중의 온실가스에 의해 흡수되고, 다시 장파 복사 형태로 방출되면서 지구의 평균 기온을 유지시키는 온실효과의 핵심 요인으로 작용한다.이 외에 극소량의 X선, 감마선, 마이크로파 등의 고에너지 또는 저에너지 복사선도 존재하지만, 이는 대부분 지구 대기 상층에서 차단되어 지표까지 도달하지 못하며, 에너지 비율도 무시할 수준이다. 결국, 지구 기후 시스템에 실질적으로 영향을 미치는 태양 복사 에너지는 99% 이상이 자외선, 가시광선, 적외선으로 구성되어 있으며, 이 세 영역의 상호작용은 지구 에너지 균형과 기후 변화의 주요 동력으로 작용한다.↩
12) 모든 물체는 복사선을 방출한다. 방출되는 복사선의 파장은 플랑크의 복사법칙에 의해 그 물체의온 도에 따라 결정된다. 뜨거운 태양의 복사선은 가시범위에 속하고, 상대적으로 차가운 지구는 눈에 보이지 않는 적외선 범위의 복사선을 방출한다. ↩
13) https://skepticalscience.com/print.php?n=5259&utm_source=chatgpt.com https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere?utm_source=chatgpt.com https://skepticalscience.com/print.php?n=5259&utm_source=chatgpt.com https://science.nasa.gov/ems/13_radiationbudget/?utm_source=chatgpt.com https://en.wikipedia.org/wiki/Outgoing_longwave_radiation?utm_source=chatgpt.com ↩
0 댓글