지구의 열수지

지구는 매 순간 태양 에너지를 받는다. 그런데 수천 년 동안 지구의 평균 기온은 크게 오르지도 내리지도 않았다. 받은 만큼 어딘가로 내보내고 있다는 뜻이다. 지구는 받은 에너지를 어떤 길로 내보낼까? 그리고 온실 효과가 없다면 지구의 기온은 몇 도일까? 반사율이나 온실 기체가 조금 바뀌면 기온은 얼마나 달라질까?

반사율

대기의 적외선 흡수율

3.2.1복사 평형

지구가 흡수하는 태양 복사와 우주로 내보내는 지구 복사가 같으면 온도가 일정하게 유지된다. 이를 복사 평형이라 한다. 지구는 단면적 \(\pi R^2\)으로 햇빛을 받지만 표면적 \(4\pi R^2\) 전체로 복사를 내보내므로, 표면 1 m²당 평균으로 받는 햇빛은 태양 상수의 4분의 1인 약 340 W/m²이다. 그 가운데 약 30%는 구름과 얼음 등에 반사된다.

그림 1에서 흡수율을 0으로 내려 보자. 지표 온도는 −18 °C로, 지구 전체가 얼어붙는다. 흡수율 0.78이면 15 °C이다. 온실 효과가 약 33 °C를 더해 주는 셈이다. 반사율을 0.3에서 0.32로 조금만 올려도 기온은 약 2 °C 내려간다.

3.2.2지표의 에너지 출구

지표는 받은 에너지를 세 가지 길로 내보낸다. 적외선 복사, 물을 증발시켜 숨은열로 대기에 넘기는 잠열 수송, 데워진 공기가 올라가는 현열 수송이다. 잠열은 수증기가 높은 곳에서 구름이 될 때 대기에 풀려나므로, 지표의 열을 높은 곳으로 나르는 큰 통로이다. 지표가 받는 햇빛을 100이라 하면 그 가운데 약 절반이 증발에 쓰인다.¹

3.2.3예제 풀이

흡수하는 복사는 \(\dfrac{1361 \times 0.7}{4} \approx 238\) W/m²이다. \(T_e^4 = \dfrac{238}{5.67 \times 10^{-8}} \approx 4.2 \times 10^9\)이므로 \(T_e \approx 255\) K, 곧 약 −18 °C이다.

지표 온도는 \(255 \times \left(\dfrac{2}{1.22}\right)^{1/4} \approx 255 \times 1.13 \approx 288\) K, 곧 약 15 °C이다. 실제 지구 평균 기온과 거의 같다. 그런데 흡수율이 0.78에서 0.80으로 조금만 커져도 지표 온도는 약 1 °C 오른다. 즉 이산화 탄소가 늘어 적외선을 조금 더 흡수하면, 지구는 더 높은 온도에서 새로운 복사 평형을 이룬다. 이것이 지구 온난화의 기본 원리이다.

아래 탐구 카드에서 지표가 받은 에너지를 내보내는 길과, 지구시스템을 움직이는 에너지의 근원을 살펴보자.

1. 지구 전체로는 복사 평형이지만, 저위도는 받는 에너지가 많고 고위도는 내보내는 에너지가 많다. 이 차이를 대기와 해수의 순환이 열을 고위도로 날라 메운다.