제4장
지구 온난화 메커니즘
이와 같이, 이산화탄소(CO₂) 농도의 증가는 자연적 온실효과를 강화시켜 지구의 복사 에너지 균형에 변화를 초래하게 된다. 이제 지구의 온실효과를 주는 태양의 복사 에너지가 지구의 온도에 어떤 방식으로 영향을 미치며, 에너지 균형이 어떻게 유지되거나 깨지는지 자세히 살펴보자.1)
복사 에너지 균형
복사 에너지는 물체가 열에너지를 방출하는 방식 중 하나로, 열 에너지가 전도나 대류와는 달리 매개 물질 없이도 공간을 가로질러 전달될 수 있는 현상을 말한다. 이를 복사라고 하며, 물리적으로는 전자기파 형태로 에너지가 전달되는 과정을 의미한다.
모든 물체는 일정한 온도 이상이 되면 복사에너지를 방출한다. 예를 들어, 석탄 불이나 전기 난로처럼 가열된 물체는 주변 공간으로 열을 방출하는데, 그 열 방출이 복사에너지를 통해 이루어진다. 이는 전도나 대류와 달리 공기를 통하거나 물질이 접촉하지 않아도 열이 전달될 수 있는 방식이다. 사람의 몸도 약 36.5도의 체온을 유지하고 있으므로, 사람도 복사에너지를 방출한다. 우리가 느끼지 못할 뿐이지, 이 복사에너지는 적외선 형태로 방출된다. 이러한 원리를 이용한 것이 바로 열화상 카메라이다.지구 복사 에너지
태양은 매우 높은 온도를 가지고 있기 때문에 많은 에너지를 방출한다. 이 에너지가 전자기파의 형태로 지구에 도달하는데, 이 과정을 태양 복사라고 부른다. 주로 가시광선, 자외선 형태로 전달된다. 태양으로부터 받은 이 에너지는 지구 표면을 데우고, 생태계와 기후에 중요한 역할을 한다.
지구 역시 태양으로부터 받은 에너지를 방출하는데, 지구가 방출하는 에너지는 태양의 그것보다 파장이 긴 적외선 형태의 복사에너지가 대부분이다. 지구 표면은 태양에 의해 가열되면 그 열을 복사 형태로 다시 우주로 내보내면서 온도를 조절하는 역할을 한다. 이것이 지구 복사이다.
복사 에너지는 지구의 온도 균형을 맞추는 중요한 역할을 한다. 태양이 끊임없이 에너지를 지구에 전달하지만, 그만큼 지구는 에너지를 복사 형태로 다시 우주로 방출하기 때문에 지구의 온도가 일정 범위 내에서 유지될 수 있다. 이 과정이 없었다면, 지구는 과도하게 데워져 생명체가 살 수 없는 환경이 되었을 것이다.
지구 복사 에너지 균형은 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 지구가 우주로 방출하는 에너지가 장기적으로 동일한 양이 되어 지구의 온도와 기후 시스템이 안정적으로 유지되는 상태를 말한다.
지구 복사 에너지 흐름
지구는 초기 단계에서 에너지를 부분적으로 방출하면서 점차적으로 에너지 평형에 도달했다. 이 과정을 설명하는 것이 지구 복사에너지 흐름이다.
오랜 세월 동안, 그리고 지금까지 지구는 태양으로부터 매 초 약 340W/m²의 에너지를 받아왔다.2) 이 중 29%는 구름과 대기, 그리고 지표면에 의해 우주로 바로 반사되고, 나머지 71%는 대기와 지표면에 흡수된다. 여기서 29%는 지구의 알베도(반사율)에 해당하는 값이다.
지구에 흡수된 71%의 에너지 중 23%는 대기에서 직접 흡수하고, 48%는 지표면이 흡수한다. 이 흡수된 에너지는 지구의 온도를 유지하는 데 중요한 역할을 하며, 대기와 지표면 사이에서 여러 에너지 흐름으로 순환하게 된다.
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.
지구의 복사 에너지 균형
이후 시간이 지나면서, 온실가스의 농도가 증가함에 따라 더 많은 열이 대기에 갇히고, 그 결과 지구의 평균 기온이 점차 상승하게 되었다. 지구의 표면 온도는 서서히 상승하고, 이 복잡한 순환 과정은 지구의 표면 온도를 약 14~15°C로 안정화3)시켰다. 이 기온은 과거 수백만 년 동안 산업화 이전까지 비교적 안정적으로 유지되었다.
첫째, 밀란코비치 주기4)로 알려진 지구의 공전 궤도와 자전축의 미세한 변화는 지구의 기후에 중요한 역할을 한다. 이 주기적인 변화는 수만 년에 걸쳐 발생하며, 빙하기와 간빙기를 일으키기도 한다. 그러나 산업화 이전 수천 년 동안, 지구의 궤도 변화는 상대적으로 안정적이었으며, 이는 극단적인 기후 변동을 방지했다.
둘째, 산업화 이전에는 대기 중 이산화탄소(CO₂)와 메탄(CH₄)과 같은 온실가스의 농도가 비교적 일정하게 유지되었다. 이러한 온실가스는 지구가 태양으로부터 받은 열을 가두어 지표면을 따뜻하게 유지하는데, 그 농도가 급격하게 변하지 않았기 때문에 기후가 안정적으로 유지될 수 있었다. 인간 활동으로 온실가스 농도가 급격히 증가하기 전까지는, 이 농도는 자연적 수준에서 균형을 이루고 있었다.
셋째, 해양과 대기는 지구의 에너지 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 해양은 열을 흡수하고 방출하는 큰 저장소 역할을 하며, 이는 기후 변화의 속도를 완화하는 역할을 한다. 해류와 대기 순환은 열을 적도에서 극지방으로 전달하여 전 세계적인 기온을 조절하는 “열 엔진”5)역할을 했다. 이러한 피드백 메커니즘 덕분에 기온이 급격하게 변하는 것을 막아줬다.
넷째, 산림과 습지 같은 자연 생태계는 탄소를 흡수하고 저장하는 기능을 했다. 이는 대기 중의 CO₂ 농도를 조절해 주었고, 지구 온도를 안정화하는 중요한 역할을 했다. 이러한 자연적인 탄소 흡수원은 온실가스가 자연적으로 조절되면서 기후 안정에 기여했다.
마지막 다섯째, 태양은 지구의 주요 에너지원이다. 태양 활동은 주기적으로 변동하지만, 산업화 이전 수천 년 동안 큰 변동이 없었기 때문에 지구로 들어오는 태양 복사에너지도 안정적으로 유지되었다. 태양 복사량이 급격히 변하지 않았기 때문에 지구의 에너지 균형도 안정적이었다.
하지만 지표면에서 방출된 390W/m² 중 일부는 우주로 방출하고, 일부는 온실가스의 되돌림 복사에 의해 다시 지표면으로 역방사된다. 이때 대기에서 지표면으로 되돌아오는 에너지의 양은 태양 에너지 100%에 해당하는 양, 즉 약 324~340W/m²다. 이 값은 주로 기후모델과 관측데이터에 의해 추정된다.7)
390 W/m²는 지표면의 복사량으로, 이는 지표 온도가 14~15°C일 때 스테판-볼츠만 법칙에 따라 방출되는 열적외선 복사 에너지에 해당한다. 이 수치는 단순히 태양 복사에 의한 결과만이 아니라, 지표면이 대기에서 역방사(back radiation) 형태로 추가적인 에너지를 공급받기 때문에 가능하다. 구체적으로 지표는 태양으로부터 직접 약 163 W/m²(전체 340 중 약 48%)의 에너지를 흡수하며, 여기에 대기에서 역방사되는 약 324~340 W/m²의 에너지가 더해진다. 이렇게 누적된 에너지로 인해 지표면은 총 약 390 W/m²에 해당하는 열적외선 복사 에너지를 생성하여 대기로 상향 방출하게 된다.
이로 인해 지표면은 태양으로부터 받은 에너지 외에도 대기에서 되돌아온 에너지를 추가로 흡수하게 되어 더 많은 에너지를 방출한다. 이 과정이 바로 자연적 온실효과이고 그 결과 지구는 복사에너지 균형을 이루어 지구의 평균 온도를 안정적으로 유지하였다. 이것이 지구가 기온을 적정 온도로 유지하는 방식이다.
여기서 잠깐 온실효과와 복사에너지 균형의 개념 차이에 대해 설명하면 다음과 같다.
온실효과는 지구의 대기가 태양으로부터 받은 에너지를 일부 흡수하고, 흡수한 에너지를 다시 지표면으로 방사하는 과정을 말한다. 이 과정에서 이산화탄소(CO₂), 수증기(H₂O), 메탄(CH₄) 등의 온실가스가 열 복사에너지를 흡수하고 다시 방출하여 지표면의 온도를 상승시킨다. 이는 지구의 평균 온도를 약 14~15°C로 유지하게 만드는 중요한 과정이다.
복사 에너지 균형이란 지구로 들어오는 태양 복사에너지와 지구에서 우주로 방출되는 열 복사에너지의 균형을 말한다. 이상적인 상황에서는 지구로 들어오는 에너지(주로 태양 복사에너지)와 지구에서 나가는 에너지(주로 열 복사에너지)가 같아야 지구의 온도가 안정적으로 유지된다. 즉, 에너지 균형이란 지구가 흡수한 에너지만큼 다시 우주로 방출해 평형 상태를 유지하는 것을 의미한다.
자연적 온실효과는 지구가 일정한 온도를 유지하는 데 필수적인 현상이다. 대기가 지표면으로 다시 열을 방사하여 지구의 온도를 적절하게 유지해주기 때문이다. 반면 복사에너지 균형은 지구 시스템 내의 에너지가 일정하게 유지되는 상태로, 들어오는 에너지와 나가는 에너지가 동일할 때 성립한다. 에너지 불균형이 발생하면 지구의 온도가 상승하거나 하강한다.
복사 에너지 흐름 균형 요약
지구는 온실효과가 적절하게 작용하고, 그 결과 지구는 태양으로부터 받은 에너지와 대기에서 방출하는 에너지 간의 균형을 이루게 되며 평균 기온 14~15°C을 안정적으로 유지하게 되었다. 즉 산업화 이전에는 자연적 온실효과로 인해 지구의 기온은 급격한 변동 없이 평균적으로 약 14~15°C가 유지되었고 이로 인해 지표면은 약 390W/m²를 대기로 방출하고 대기는 다시 약 324~340 W/m²의 에너지를 지표면으로 역방사하며 복사 에너지 균형을 유지했다.
이상과 같이 대기와 지표면간의 에너지 흐름과 평형에 대해 정리하면 다음과 같다. 에너지 흐름은 온실효과를 설명하는 핵심 메커니즘이며, 이 과정을 통해 에너지 균형과 에너지 불균형이 어떻게 발생하는지 알 수 있다.
지구는 태양으로부터 평균 약 340W/m²의 복사 에너지를 받는다.
이 중 약 29%, 즉 100W/m²는 대기와 구름, 그리고 밝은 지표면(눈, 얼음 등)에 반사되어 우주로 바로 되돌아가며, 에너지로 전환되지 않는다. 이는 ‘알베도 효과’로 알려진 반사 때문이다. 나머지 약 71%, 즉 240W/m²의 에너지는 대기(23%)와 지표면(48%)에 흡수되어 지구 시스템 내부로 유입된다.
흡수된 에너지는 다양한 경로를 통해 다시 우주로 방출되어 에너지의 균형을 유지한다. 지표면은 흡수한 에너지 중 약 25%를 증발, 5%를 대류 형태로 대기 상층으로 전달하고, 나머지 17%는 열적외선 복사(순 복사) 형태로 직접 대기로 보낸다. 대기는 지표면으로부터 받은 48%를 포함, 태양으로부터 직접 흡수한 23%를 더해 총 약 71%의 에너지를 갖게 되며, 이 중 59%(증발 및 대류 30% + 직접 흡수 23% + 순 복사 17% 중 5~6%)는 대기를 통해, 17% 중 12%는 대기를 거치지 않고 직접 우주로 방출된다.
결과적으로 지구는 흡수한 총 태양 복사 에너지 240W/m²를 다시 우주로 방출함으로써 복사 평형을 이루고 있다. 이때 지구 지표면은 대기 없이 복사만으로 평형을 이루려면 그 온도는 약 –18°C가 된다. 이는 스테판–볼츠만 법칙8)에 의해 계산된 이론적 온도다.
이후 시간이 지나면서 온실가스의 농도가 증가함에 따라 더 많은 열이 대기에 갇히고, 그 결과 지구의 기온이 점차 상승하게 되었다. 지구의 표면 온도는 서서히 상승하고, 이 복잡한 순환 과정은 지구의 표면 온도를 약 14~15°C 안정화 시켰다. 다시 말해 온실효과 덕분에 지표면의 온도를 약 30도 가까이 상승시켜, 생명체가 살 수 있는 지구 환경이 된 것이다.
문제는 산업화 이후다. 석탄, 석유, 가스 등 화석연료 사용과 삼림 파괴로 인해 대기 중 온실가스 농도가 급격히 증가하면서 대기가 포획하는 복사 에너지의 양도 늘어났다. 이에 따라 지구는 점차 더 많은 복사 에너지를 갇힌 상태로 유지하게 되었고, 지표면 온도는 서서히 상승했다. 이러한 변화는 매우 느리게 진행되었던 과거 수천 년 동안의 자연적 기후 변화와는 다른 양상이다.
현재, 산업화 이전과 비교해 지구의 평균 기온은 2023년 기준 약 1.5도 상승했다. 그럼에도 평균 기온이 여전히 15°C 안팎이라고 해서 “지구 온난화는 일어나지 않는다"고 기후 변화를 부정하는 것은 지구 기후의 동적 시스템을 이해하지 못하는 주장이다. 과거에는 이 정도 상승이 수천 년에 걸쳐 진행되었지만, 지금은 단 100년 남짓한 시간에 이뤄지고 있다는 사실이다. 이러한 급격한 변화는 지구 생태계와 기후 시스템에 심각한 불균형을 초래하며, 이는 이미 전 세계적으로 이상기후와 해수면 상승, 극한 기상현상이 발생하고 있다.(끝)
📌 주(註)
1) 이번 장은 다음 사이트를 참조 1. https://bio.libretexts.org/Courses/Gettysburg_College/01%3A_Ecology_for_All/02%3A_The_Physical_Environment/2.05%3A_Earth%27s_Energy_Balance?utm_source=chatgpt.com 2. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/chapter-7/?utm_source=chatgpt.com 3. https://earthobservatory.nasa.gov/features/EnergyBalance 4. https://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/earth-energy-balance.php?utm_source=chatgpt.com 5. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_energy_budget ↩
2)하루 동안 지구가 태양으로부터 받는 에너지는 지구가 하루 동안 소비하는 석유에너지 약 1억 배럴(석유 1배럴은 약 159리터, 약 9말) 보다 약 24,500배 많다.↩
3) 하지만 2023년 현재 지구의 평균 온도도 14.98°C로 과거와 크게 다르지 않음에도 불구하고 기후변화가 심각한 이유는 기온 상승의 속도가 빠르다는 것이다. 이는 온도의 작은 변화(예: 0.01°C에서 0.1°C)도 극단적인 기후 현상을 유발할 수 있다.
둘째, 지구 온도는 단순히 평균값으로만 이해될 수 없다. 일부 지역은 급격히 온도가 상승하고, 다른 지역에서는 온도가 크게 변하지 않으면서도 극한 기후 현상이 자주 발생한다. 이로 인해 한쪽 지역에서는 폭염이 극심해지고, 다른 지역에서는 한파나 폭우와 같은 극단적인 기상 현상이 더 자주 발생하는 등 지역별 기후 패턴이 급격히 변하고 있다. 기온 상승 속도가 과거와 비교할 수 없을 만큼 빠르게 진행되면서 자연 생태계가 적응할 시간을 주지 않고 있다. 북극의 얼음이 녹는 속도는 북극 생태계에 치명적이다. 산호초는 해수 온도가 1°C만 상승해도 대규모로 파괴될 수 있다. 급격한 온도 변화로 인해 해수면 상승, 극단적인 기상현상(태풍, 허리케인, 가뭄 등)이 더욱 빈번하고 강해지고 있다.
지구의 평균온도는 산업화 이전에는 수천 년에 걸쳐 14~15°C 언저리에서 천천히 온도 변화가 일어나곤 했는데 지금은 그렇지 않다는 것이 평균기온 14.98°C임에도 문제가 심각하게 느껴지는 이유다.↩
4) 이 주기는 지구가 태양 주위를 도는 궤도와 자전축이 주기적으로 변동함에 따라 지구로 들어오는 태양 복사에너지(즉, 일사량)의 양과 분포가 달라지는 과정을 설명한다. 이 변화는 장기적으로 지구의 빙하기와 간빙기를 포함한 기후 변화에 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 밀란코비치 주기는 크게 세 가지 주요 요소로 구성된다.
1. 이심률(Eccentricity)
지구가 태양 주위를 도는 궤도는 완전히 원형이 아닌 타원형이다. 이 타원형 궤도의 이심률은 약 10만 년 주기로 변한다. 궤도가 더 타원형이 되면 태양과 지구 사이의 거리가 더 많이 변동하게 되고, 이는 계절 간 일사량 차이를 크게 만든다. 이심률이 높을수록 계절적 기후 변화가 극대화된다.
2. 경사축 변화(Axial Tilt/Obliquity)
지구의 자전축은 공전 궤도 평면에 대해 기울어져 있는데, 이 경사각은 약 22.1도에서 24.5도 사이에서 변동한다. 현재는 약 23.5도의 경사각을 유지하고 있다. 이 경사각은 약 4만 1천 년 주기로 변화하며, 경사각이 커질수록 극지방의 일사량 차이가 커지게 된다. 이는 여름과 겨울 간의 기후 차이를 더욱 극단적으로 만든다.
3. 세차운동(Precession)
지구는 자전축의 기울기뿐만 아니라, 마치 팽이가 돌 때 진동하는 것처럼 세차 운동을 한다. 이 세차 운동은 지구 자전축이 천천히 흔들리며 공전 궤도에서의 계절적 위치가 변화하는 현상이다. 이 주기는 약 2만 6천 년 정도로, 지구가 특정 시점에서 태양과 어떻게 배치되는지에 영향을 미친다. 예를 들어, 지구가 태양에 더 가까운 시점에 여름이 오면 더 뜨거운 여름을 경험할 수 있다.(https://science.nasa.gov/science-research/earth-science/milankovitch-orbital-cycles-and-their-role-in-earths-climate/)↩
5) 해류와 대기 순환의 열 엔진 역할
· 적도에서 열 흡수: 적도 지역은 태양으로부터 직접적인 에너지를 가장 많이 받는 곳으로, 이 지역에서는 대기와 해양 표면의 온도가 매우 높다. 이곳에서 흡수된 열은 대기와 해류를 통해 다른 지역으로 이동한다.
· 극지방으로 열 전달: 대기 순환(예: 제트기류, 무역풍)과 해류(예: 멕시코 만류와 같은 해류)는 이 흡수된 열을 북극과 남극으로 전달한다. 이 열 전달은 지구의 열 에너지가 균형을 이루게 하며, 극지방에서의 기온을 상대적으로 완화시킨다.
· 열 교환과 순환의 지속성: 해류와 대기의 순환은 끊임없이 지속되며, 고온 지역에서 흡수된 열을 저온 지역으로 전달하는 과정이 반복된다. 이러한 열의 이동은 지구 기온의 지역적 불균형을 줄이고, 기후 시스템의 균형을 유지하는 데 기여한다.↩
6) '지구 온난화 메커니즘 5' 주8) 참조↩
6) 390W/m²의 복사에너지 방출량은 스테판-볼츠만 법칙에 기반하여 계산된다. 이 값은 지구의 표면 온도를 고려해 지표면에서 방출되는 열 복사에너지의 양을 계산한 것이다.
스테판-볼츠만 법칙에 따르면, 복사에너지 방출량(E)은 물체의 절대 온도(T)의 4제곱에 비례한다. 즉, 공식은 E=σT4이다, 여기서 E는 방출되는 복사에너지(W/m²), σ는 스테판-볼츠만 상수로서 5.67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴, T는 물체의 절대 온도(Kelvin, K)이다.
지구의 평균 표면 온도를 15°C로 가정하고, 이를 절대 온도로 변환하면 T = 288.15K(15°C = 273.15K + 15°C)이다. T4=(288.15)4이다.
참고로 섭씨온도(15°C)를 절대온도(켈빈, K)로 변환하려면 다음 변환식을 사용한다. TKelvin = TCelsius + 273.15를 사용한다. 반대로 먼저 절대온도를 계산하고 이를 다시 섭씨온도로 변환하려면 TCelsius=TKelvin - 273.15, 절대 영도(0K,숫자 “0”)는 섭씨 -273.15°C에 해당한다. 그래서 288.15(TKelvin) = 15°C + 273.15 이다.
이제 스테판-볼츠만 공식에 이 값을 대입하면 E=σ×T4= 5.67 × 10-⁸ ×(288.15)4이다. 계산값은 엑셀을 이용하면 된다. 엑셀에서 “=5.67e-8”을 일력하면,“0.0000000567”, “=288.15^4”를 입력하면 “6894051060.53”이 나온다. 두 수를 곱하면 정확히 390.89W/m²가 나온다.↩
7) 지표면에서 역방사되는 약 340W/m²(일부 모델은 324~340W/m)의 에너지가 태양 에너지와 거의 동일한 양이라는 사실은 기후모델과 관측 데이터를 통해 입증된다. 이러한 연구는 최신 기후모델인 CMIP6(기후 모델 상호 비교 프로젝트)에서 수행되며, 대기의 복사 강제력과 에너지 균형을 이해하는 데 중요한 역할을 한다. CMIP6에 참여하는 기후모델은 관측 데이터를 사용해 대기의 복사 에너지 흐름과 기후 변화에 대한 예측을 지속적으로 개선하고 있다. (https://acp.copernicus.org/articles/20/9591/2020/)
또한, GEBA(전 세계 에너지 균형 아카이브)는 전 세계의 관측소에서 측정된 지표면 에너지 플럭스 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 지구의 복사 에너지 흐름을 평가하고 기후모델을 검증하는 데 중요한 역할을 합니다. GEBA는 약 500,000개의 월간 평균 데이터 항목을 포함하고 있으며, 이는 기후 시스템의 복사 균형을 더욱 정확하게 이해하는 데 기여합니다.(https://essd.copernicus.org/articles/9/601/2017/)↩
8) '지구 온난화 메커니즘 5' 주8) 참조↩
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