복사에너지 불균형(EEI)
하지만 산업화 이후 태양에서 지구로 들어오는 복사에너지는 일정하지만 온실가스(이산화탄소(CO₂), 메탄 등) 배출이 증가하면서 알베도(반사율) 효과 증가,1) 온실가스 농도 증가, 대기 입자(에어로졸) 증가2) 등으로 인해 열 복사에너지가 방출하지 못하고 지구에 갇히게 되어 지구가 우주로 방출하는 에너지는 줄어들고 대신 지표면으로 방출하는 역방사 에너지는 많아지게 되었다. 이 과정은 지구 시스템에 추가적인 에너지를 축적하게 만든다
이로 인해 지구의 온도는 점점 올라간다. 온실가스는 지구의 열 복사에너지를 흡수하고 다시 방출하는 역할을 하기 때문에, 대기 중 온실가스가 많아지면 지구의 복사에너지가 우주로 충분히 나가지 못해3) 지구는 더워진다.
복사에너지 불균형의 개념
그 결과 ‘복사에너지 불균형(Earth’s Energy Imbalance, EEI)4)이 발생했다. EEI는 지구 시스템으로 들어오는 에너지가 우주로 방출되는 에너지보다 더 많을 때 발생한다.
정상적인 상태에서는, 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 지구가 우주로 방출하는 에너지가 균형을 이루어, 지구의 온도가 일정하게 유지된다. 지구가 일정한 온도를 유지하려면 태양으로부터 받은 에너지가 우주로 방출되는 에너지와 동일해야 한다.
그러나 온실가스는 지구에서 방출되는 적외선 에너지를 흡수하고 다시 지표면으로 되돌리며, 이로 인해 복사에너지 불균형이 발생하게 된다. 이 균형이 깨지면 지구는 더 많은 에너지를 저장하게 되어 온난화가 진행된다.
복사에너지 불균형 메커니즘
복사 에너지 불균형 메커니즘은 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 우주로 방출하는 에너지 간의 차이를 설명하는 과정이다. 이 불균형은 기후 변화의 근본적인 원인 중 하나로, 지구의 온도가 변화하는 이유를 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다.
태양 복사 에너지의 유입
지구는 태양으로부터 340 W/m²의 에너지를 받는다. 그러나 이 중 약 29%는 지구 대기와 구름, 지표에서 바로 반사되어 우주로 돌아간다. 나머지 71%의 에너지만 지구 시스템에 흡수되어 지구 대기, 해양, 지표면을 데우게 된다.
지구의 열 복사 에너지 방출
지구는 자신이 흡수한 에너지를 다시 열 복사 형태로 우주로 방출한다. 앞장에서 말한 바와 같이 지구의 초기 조건이 14~15°C일 경우 지구의 지표면은 약 390W/m²의 열적외선 형태의 복사 에너지를 발생시켜 이를 대기로 전달하고, 대기는 324~340W/m²를 다시 지구 지표면으로 역방사한다. 태양 복사에너지의 유입과 방출 과정을 다시 설명하면 다음과 같다.
지구는 태양으로부터 복사에너지 340 W/m²를 받고, 이 중 약 29%인 100 W/m²는 알베도 효과로 반사되어 우주로 나가고, 나머지 71%인 240 W/m²만이 지구 시스템에 흡수된다. 이 240 W/m²는 대기(23%)와 지표면(48%)에 흡수된다.
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.
이후 시간이 지나면서 온실가스의 농도가 증가함에 따라 더 많은 열이 대기에 갇히고, 그 결과 지구의 기온이 점차 상승하여 표면 온도가 약 14~15°C 에 이르자 지구 지표면은 390 W/m²의 열적외선 복사 에너지를 발생시켜 대기로 방출하게 된 것이다.
390 W/m는 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 방출하게 되고, 이 에너지는 다시 대기로 흡수되며, 대기는 또다시 그 중 일부를 지표로 되돌려보낸다. 이러한 역방사-복사-흡수의 순환 과정은 지구 표면 온도를 안정화시키는 핵심 메커니즘이며, 과거 수백만 년 동안 유지되어 온 자연스러운 지구 복사에너지 시스템의 순환 구조다.
이것은 지구가 태양으로부터 흡수하는 에너지와 우주로 방출하는 에너지가 균형을 이루는 것이고, 그 결과 지구의 평균 기온은 14~15°C 로 일정하게 유지된다.
복사 에너지 불균형 발생
하지만 온실가스, 특히 이산화탄소 농도가 증가하거나 다른 외부 요인(에어로졸 감소, 태양 복사량 변화)이 발생하면, 지구 시스템이 흡수하는 에너지가 방출하는 에너지보다 많아지게 된다. 이때 복사 에너지 불균형이 발생한다. 즉, 더 많은 에너지가 지구에 축적되면서 지구가 더 많은 열을 보유하게 되고, 그 결과로 기온이 상승한다.
온실가스의 역할
대기 중 온실가스(이산화탄소, 메탄 등)가 증가하면, 지구에서 방출되는 일부 열 복사 에너지가 온실가스에 의해 흡수된다. 이 에너지는 대기 중에서 다시 지표로 방출되며, 이 과정이 지구의 에너지를 더 많이 축적하게 만든다. 이로 인해 지구는 더 많은 에너지를 보유하게 되어 양의 에너지 불균형이 발생하고, 이는 지구 온난화로 이어진다.
복사 에너지 불균형이 기후에 미치는 영향
에너지 불균형이 지속되면 지구는 더 많은 에너지를 축적하게 되고, 그 결과 지구 평균 기온이 상승하게 된다. 이로 인해 해양이 더 많은 열을 흡수하고, 극지방의 빙하가 녹으며, 극단적인 기상 현상이 빈번하게 발생한다.
복사 에너지 불균형 수치
이와 같이 평균 기온 14~15°C 조건하에 있던 지구의 지표면은 약 390W/m²의 열적외선 형태의 복사 에너지를 발생시켜 이를 대기로 전달하고, 대기는 324~340W/m²를 다시 지구 지표면으로 역방사하며 복사에너지 균형을 유지했다.
하지만 지금은 이보다 더 많은 에너지가 지표면으로 역방사되고 있다. 현재 지구의 복사에너지 불균형은 2005년 약 0.5W/m²에서 2019년 사이 약 1.0W/m²으로 두 배 증가했다.5) 이는 산업화 이후 지구의 복사에너지 불균형이 양수 약 1.0W/m²라는 의미이며 인공위성 관측과 해양 열 흡수 데이터를 통해 측정된다.6)
아래 그래프는 지구 시스템의 복사 에너지 수지(Net Radiation)와 실제 열 축적량(Planetary Heat Uptake)의 연도별 변화(2005~2019년)를 보여준다. NASA CERES 위성 관측자료와 해양 관측 시스템의 데이터를 결합한 결과로, 지구가 흡수한 에너지와 방출한 에너지 사이의 불균형을 정량적으로 보여주고 있다.(https://www.nasa.gov/centers-and-facilities/langley/joint-nasa-noaa-study-finds-earths-energy-imbalance-has-doubled/)
주황색 선은 위성 데이터(CERES)를 기반으로 한 TOA(Top of Atmosphere) 순복사 에너지를 나타낸다. 이는 지구가 방출한 장파 복사 에너지와 흡수한 단파 복사 에너지의 차이이며, 값이 0보다 크면 에너지가 축적된다.
청록색 선은 Argo 부이 등을 통해 측정된 해양 내부의 열 함유량 증가를 반영한 것이다. 지구는 흡수한 에너지의 90% 이상을 바다에 저장하므로, 해양 열 축적은 지구 에너지 불균형의 대표적인 지표다.7)
두 곡선이 비슷한 경향으로 움직이고 있다는 점은, 위성 측정과 해양 관측이 서로를 잘 뒷받침하고 있음을 보여준다. 특히 점선으로 표시된 추세선을 보면, 지구는 시간이 지날수록 점점 더 많은 에너지를 축적하고 있다.
평균적으로 약 0.8 W/m²의 에너지 불균형이 지속되고 있으며, 이 열은 해수 온도 상승, 극한기후, 빙하 융해, 해수면 상승 등으로 이어진다. IPCC AR6, WG1 보고서 기준(2006–2018년)으로 보면 지구 평균 복사에너지 불균형은 +0.79 ± 0.12 W/m²이다. 이를 감안하면 복사 에너지 불균형 수치는 1.0W/m²으로 보는 것이 적당하다.
그렇다면 1.0 W/m²의 에너지는 어느 정도의 규모인가?
1.0 W/m²의 에너지를 하루 석유 소비량으로 환산하면 약 72억 2천만 배럴에 해당하는 에너지고, 하루에 약 400,000개의 히로시마 원자폭탄이 폭발하는 것에 해당하는 에너지를 지구가 흡수하고 있다는 의미다.
이는 또한 에너지 불균형이 1.0 W/m²라고 할 때, 그 에너지가 지구로 역방사된다면 지구의 평균 기온을 약 0.18°C 상승시킬 수 있다는 의미다. 이는 초기 조건 지구 평균 기온이 15°C (288K)라고 가정하고 스테판-볼츠만 법칙에 의해 계산된다. 이는 지구의 에너지 불균형이 현재 태양으로부터 받는 에너지와 대기가 재방출하는 에너지의 차이로 인해 지구 표면에 축적되는 에너지 양이 증가하고 있음을 나타낸다.8)
하지만 추가적인 에너지가 축적될 경우, 즉 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하여 지구가 더 많은 열을 저장하게 되고 온도 상승으로 이어진다면, 에너지 불균형 1 W/m²당 지구의 평균기온은 지금보다 더 상승할 것이다.
EEI가 양수라는 것은 지구가 우주로 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수하고 있다는는 뜻이다. 그러니까 현재 복사에너지 불균형(EEI)은 양수 1.0 W/m²라는 것이다. 비록 현재 지구의 기온이 안정적으로 보일 수 있지만, 이는 일시적인 현상일 수 있으며, 장기적으로는 지구가 더 많은 에너지를 흡수하게 되어 기후 변화가 가속화될 수 있다.
복사 강제력은 지구의 에너지 균형을 변화시키는 중요한 개념으로, 태양으로부터 유입되는 에너지와 지구에서 방출되는 에너지 간의 변화를 일으키는 다양한 요인들을 설명한다. 특히, 온실가스 증가와 같은 요인은 지구가 더 많은 에너지를 흡수하도록 만들어 복사 강제력을 증가시킨다.
복사 강제력과과 복사 에너지 불균형의 관계
복사 강제력과 복사 에너지 불균형은 지구 기후 시스템에서 에너지가 어떻게 흡수되고 방출되는지에 대한 중요한 개념이다. 복사 강제력은 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 방출하는 에너지 간의 변화를 유발하는 요인들을 설명하며, 이는 궁극적으로 지구의 에너지 불균형을 초래한다. 복사 에너지 불균형은 이러한 강제력의 결과로, 지구가 에너지를 축적하거나 방출하는 차이를 나타낸다. 이 둘의 관계는 기후 변화의 핵심이며, 복사 강제력이 증가할수록 에너지 불균형이 심화되고, 이는 지구 온난화로 이어진다.
<복사 강제력과 복사에너지 불균형의 차이>
복사 강제력(Radiative Forcing)은 태양으로부터 지구로 유입되는 에너지와 지구에서 우주로 방출되는 에너지 간의 차이를 나타낸다. 이 값은 온실가스 증가나 태양 복사 변화 등 외부 요인으로 인해 발생하며, 이러한 변화가 지구의 에너지 흐름에 미치는 영향을 수치화한 것이다.
반면에, 복사에너지 불균형(Earth Energy Imbalance, EEI)은 실제로 지구가 흡수하고 방출하는 에너지 간의 차이를 의미한다. 즉, 지구가 더 많은 에너지를 흡수하고 덜 방출하면 양의 에너지 불균형이 발생하여, 지구가 에너지를 축적하고 기온이 상승하게 된다. 에너지 불균형은 복사 강제력으로 인해 나타나는 결과이다.
예를 들어, 1 W/m²의 추가 복사 강제력은 지구가 더 많은 에너지를 축적하게 하여 에너지 불균형을 유발하고, 그 결과 지구 기온이 상승한다. 즉, 복사 강제력은 에너지 불균형의 원인이고, 에너지 불균형은 그 결과로 나타나는 상태다.
복사 강제력과 에너지 불균형은 밀접하게 연결되어 있지만, 같은 개념은 아니다. 복사 강제력은 온실가스, 에어로졸 등 외부 요인들이 지구 에너지 흐름에 미치는 영향을 나타내며, 이론적으로 계산된 값이다. 반면, 복사에너지 불균형은 실제로 측정된 값으로, 지구가 얼마나 많은 에너지를 축적하고 있는지를 실질적으로 보여준다.
두 개념을 구분하는 중요한 이유는 시간적 차이와 물리적 차이에 있다. 복사 강제력은 대기 중 온실가스 농도의 변화와 같은 즉각적인 변화를 설명하지만, 에너지 불균형은 시간이 지나면서 지구 시스템이 에너지를 어떻게 축적하는지를 측정한다. 복사 강제력은 에너지가 얼마나 더 유입되거나 덜 나가는지를 계산하는 반면, 에너지 불균형은 그 결과로 지구에 실제로 얼마나 많은 에너지가 남아 있는지를 설명한다.
요약하면 복사 강제력(RF)은 외부 요인들이 지구의 에너지 흐름을 얼마나 변화시키는지를 이론적으로 계산한 값으로 현재 약 2.17 W/m²로 보고되고 있다.9) 복사에너지 불균형(EEI)은 지구가 실제로 축적한 에너지의 양을 측정한 값으로, 현재 약 1.0 W/m²이다. 이 차이는 지구 시스템의 복잡한 반응, 특히 해양의 열 흡수와 시간적 지연으로 인해 발생한다.
결론
복사에너지 불균형이 계속되면 지구는 더 많은 에너지를 저장하게 되어, 폭염, 가뭄, 홍수 등의 극단적인 기후 현상이 더 빈번하게 발생한다. 또한 해양은 더 많은 열을 흡수하며 온도가 상승하고, 이로 인해 해수면이 팽창하며 빙하가 녹아 해수면 상승을 초래한다. 이러한 변화는 생태계에도 심각한 영향을 미치며, 생물의 서식지 변화와 멸종 위기, 먹이사슬 붕괴 등을 일으킬 수 있다.
지구의 복사에너지 불균형은 지구가 더 많은 열 복사에너지를 흡수하고, 방출되는 에너지는 줄어들게 함으로써 지구의 에너지 흐름을 방해한다.
결국, 복사에너지 불균형은 지구 온난화로 이어지며, 이는 대기 중 온실가스 증가로 인해 발생한 온실효과로 설명된다. 온실효과는 지구가 방출하는 열 복사에너지가 우주로 완전히 빠져나가지 못하여 복사에너지 불균형을 초래하며, 그 결과로 지구의 기온이 상승하는 현상이 나타난다. 따라서 지구 온난화는 복사에너지 불균형에 의해 강화된 온실효과의 결과라고 할 수 있다.(끝)
📌 주(註)
1) 알베도는 지표면이나 대기에서 반사되는 태양 복사의 비율을 의미한다. 눈, 얼음, 구름은 태양 복사를 많이 반사하여 알베도를 높이지만, 삼림이나 도시 지역은 에너지를 더 많이 흡수하여 알베도를 낮춘다. 빙하가 녹으면 반사되는 에너지가 줄어들고, 지구는 더 많은 태양 복사를 흡수해 기온이 상승할 수 있다.↩
2) 에어로졸 입자는 구름 형성에 기여하며, 일부는 태양 복사에너지를 반사하여 지구를 냉각시키는 역할을 한다. 그러나 검은 탄소 입자와 같은 에어로졸은 태양 에너지를 흡수해 지역적 온난화를 유발할 수 있다.↩
3) 온실가스 중 이산화탄소(CO₂)는 장파 복사인 적외선을 포집하는 능력이 뛰어나다.↩
4) 1. https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_energy_budget?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 ↩
5) 1. (https://www.realclimate.org/index.php/archives/2007/08/the-co2-problem-in-6-easy-steps/) 2. https://www.nasa.gov/centers-and-facilities/langley/joint-nasa-noaa-study-finds-earths-energy-imbalance-has-doubled/?utm_source=chatgpt.com ↩
6) NOAA와 NASA 연구원들은 2005년에서 2019년까지 지구의 에너지 불균형이 약 두 배로 증가했다고 보고했다. 이 연구는 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 우주로 방출하는 에너지 사이의 불균형이 커지고 있음을 보여준다. 특히 이 기간 동안 지구가 흡수하는 에너지가 방출되는 에너지보다 많아지면서 지구는 더 많은 열을 저장하게 되었고, 이로 인해 지구 온난화가 가속화되고 있다.
에너지 불균형의 증가는 주로 온실가스 배출과 물 증기 증가, 구름 감소, 해빙 감소 등으로 인해 발생했다. 온실가스는 지구 대기에서 열을 가두어 더 많은 복사 에너지를 방출하지 못하게 만들고, 해양의 따뜻한 물이 더 많은 에너지를 흡수함으로써 불균형을 악화시켰다. 1.(https://www.nasa.gov/centers-and-facilities/langley/joint-nasa-noaa-study-finds-earths-energy-imbalance-has-doubled/) 2. (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL093047) ↩
7)"해양은 지구 에너지 불균형(EEI)의 90% 이상을 저장하며, 이로 인해 해양 열함유량(OHC)이 증가하게 된다. 현재 OHC는 EEI를 추정하는 데 가장 신뢰할 수 있는 지표로 간주된다." https://link.springer.com/article/10.1007/s00376-022-1461-3?utm_source=chatgpt.com ↩
8) (https://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2022/EarthEnergyImbalance.22December2022.pdf) ↩
9) '지구온난화 메커니즘 시리즈 4'(복사 강제력)의 '현재 복사 강제력 수치' 참조 ↩
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