대기의 선택적 흡수와 생명체
본문햇빛은 대기를 지나 지표에 닿고, 우리는 그 빛으로 세상을 본다. 그런데 햇빛 속의 강한 자외선은 대부분 지표에 닿지 못한다. 한편 지표가 내보내는 적외선은 대부분 대기에 붙잡혀 우주로 빠져나가지 못한다. 투명해 보이는 공기가 빛의 종류에 따라 막기도 하고 통과시키기도 하는 까닭은 무엇일까? 그리고 그 덕분에 생명이 어떻게 살 수 있을까?
3.1.1선택적 흡수
기체 분자는 자기 에너지 준위 사이의 차에 맞는 에너지의 빛만 흡수한다. 오존(O₃)과 산소(O₂)는 에너지가 큰 자외선을 흡수하여 분자가 쪼개지거나 들뜬다. 수증기(H₂O)와 이산화 탄소(CO₂)는 분자가 구부러지고 늘어나는 진동의 에너지에 맞는 적외선을 흡수한다. 질소(N₂)와 산소처럼 같은 원자 둘로 된 분자는 적외선을 거의 흡수하지 않는다. 그래서 대기는 파장에 따라 빛을 골라 흡수한다.
표면 온도 약 5800 K인 태양은 0.5 μm 부근(가시광선)에서 가장 세게 빛나고, 약 288 K인 지표는 10 μm 부근(적외선)에서 가장 세게 빛난다(빈 법칙). 대기는 가시광선을 잘 통과시키고 적외선을 잘 흡수하므로, 햇빛은 들어오고 지구의 열은 잘 빠져나가지 못한다.
그림 1에서 파장을 바꾸어 보자. 0.25 μm 자외선은 거의 통과하지 못하고, 0.5 μm 가시광선은 대부분 통과한다. 15 μm 부근은 이산화 탄소가 강하게 흡수하고, 10 μm 부근은 대기의 창이라 지표의 열 일부가 곧장 우주로 빠져나간다.1
3.1.2생명체와 대기
오존층은 DNA를 손상시키는 자외선을 막아, 생물이 바다를 떠나 육지로 올라올 수 있게 했다. 대기의 온실 효과는 지표의 평균 기온을 약 15 °C로 지켜, 액체 물이 있는 행성을 만들었다. 그리고 생물은 광합성으로 산소를 만들어 오존층을 만들고, 이산화 탄소를 흡수하여 온실 효과를 조절해 왔다. 즉 대기의 선택적 흡수와 생명은 오랜 시간 서로를 바꾸어 왔다.
3.1.3예제 풀이
빈 법칙 \(\lambda_{\max}T = 2900\) μm·K를 이용하여 태양(5800 K)과 지표(288 K)의 복사가 가장 센 파장을 구하여라. 두 파장에서 대기를 통과하는 정도를 그림 1에서 읽고, 온실 효과가 생기는 까닭을 설명하여라.
태양은 \(\dfrac{2900}{5800} = 0.5\) μm, 지표는 \(\dfrac{2900}{288} \approx 10\) μm이다. 태양의 복사는 가시광선, 지표의 복사는 적외선이 가장 세다.
0.5 μm에서는 대기를 대부분 통과하므로 햇빛은 지표까지 잘 들어온다. 10 μm 부근은 창이라 일부가 빠져나가지만, 그 양옆의 넓은 적외선 영역은 수증기와 이산화 탄소가 흡수한다. 흡수한 대기는 다시 적외선을 사방으로 내보내고, 그 일부가 지표로 되돌아와 지표를 데운다. 그래서 들어올 때는 투명하고 나갈 때는 덮개인 대기가 온실 효과를 만든다.
아래 탐구 카드에서 온실 효과가 나쁜 것인지, 별의 색으로 온도를 아는 방법, 공기가 막는 빛과 통과시키는 빛을 직접 비교해 보자.
- 대기의 창 영역은 기상 위성이 구름과 지표의 온도를 재는 데 쓰인다. 반대로 수증기가 흡수하는 파장대로 찍은 영상은 대기 중층의 수증기 분포를 보여 준다.
대기의 기체는 자기 에너지 준위에 맞는 빛만 흡수하여, 오존은 자외선을, 수증기와 이산화 탄소는 적외선을 흡수하고 가시광선은 대부분 통과시킨다. 태양 복사는 가시광선, 지구 복사는 적외선에 몰려 있어 온실 효과가 생긴다. 그래서 처음 질문의 공기는 해로운 자외선과 지표의 적외선을 막고 가시광선은 통과시켜, 생명이 살 수 있는 따뜻하고 안전한 지표를 만든다.