태양 에너지와 에너지 흐름
본문태양은 1초에 약 \(3.8 \times 10^{26}\) J의 에너지를 내놓는다. 이 에너지는 어떻게 만들어지고, 1억 5천만 km를 건너온 햇빛은 지구에서 어떤 모습으로 바뀌어 바람이 되고, 비가 되고, 우리가 먹는 밥과 자동차의 연료가 될까?
2.4.1태양은 어떻게 빛날까
태양의 중심은 온도가 약 1500만 K, 압력이 엄청나게 높다. 이 조건에서 수소 원자핵 4개가 여러 단계를 거쳐 헬륨 원자핵 1개로 융합한다. 이때 질량이 약 0.7% 줄어드는데, 줄어든 질량 \(\Delta m\)이 \(E = \Delta m c^2\)만큼의 에너지로 바뀐다. 이 에너지가 태양의 바깥층까지 전달되어 빛으로 우주에 퍼진다.
지구에는 이 빛의 아주 작은 일부만 닿는다. 대기 바깥에서 햇빛에 수직인 면 1 m²가 1초에 받는 에너지는 약 1361 J이며, 이것을 태양 상수라 한다.1
2.4.2지구에서 바뀌는 태양 에너지
지구에 닿은 햇빛은 여러 경로로 형태를 바꾼다. 적도는 극보다 햇빛을 많이 받아 더 데워지고, 이 온도 차이가 공기와 바닷물을 움직여 바람과 해류를 만든다. 햇빛은 바닷물을 증발시켜 구름과 비를 만들고, 높은 곳에 내린 비는 위치 에너지를 가져 강물로 흐르며 수력 발전의 에너지가 된다.
태양의 핵융합 에너지는 빛에너지로 지구에 와서, 대기와 물의 순환에서는 열과 운동 에너지, 위치 에너지로, 광합성에서는 화학 에너지로 바뀐다. 에너지는 형태가 바뀌어도 그 총량은 보존된다.
그림 1에서 흐름을 하나씩 골라 보자. 광합성 경로에서는 식물이 빛에너지로 이산화 탄소와 물에서 포도당을 만들어 화학 에너지로 저장한다. 사람은 이 화학 에너지를 음식으로 먹고, 수억 년 전 생물이 땅속에 묻혀 변한 석탄과 석유를 연료로 태운다. 다시 말해 석유를 태우는 것은 아주 오래전의 햇빛을 꺼내 쓰는 셈이다.
2.4.3예제 풀이
맑은 날 한낮에 지표 1 m²가 받는 햇빛을 약 1000 W라 하자. 이 빛의 1%를 식물이 광합성으로 화학 에너지로 저장한다면, 1 m²의 잎이 햇빛을 6시간 받는 동안 저장하는 에너지는 몇 kJ인가? 이것은 밥 한 공기(약 1200 kJ)의 몇 분의 1인가?
1 W는 1초에 1 J이므로, 1000 W의 1%는 1초에 10 J이다. 6시간은 \(6 \times 3600 = 21\,600\)초이므로 저장하는 에너지는 \(10 \times 21\,600 = 216\,000\) J, 곧 216 kJ이다.
밥 한 공기 1200 kJ과 비교하면 \(\dfrac{216}{1200} = 0.18\), 곧 약 5분의 1이다. 따라서 밥 한 공기만큼의 에너지를 모으려면 잎 1 m²가 햇빛을 이런 날로 5~6일 받아야 한다.
광합성의 효율은 실제로도 1~2% 정도로 낮다. 그래서 먹이 사슬 전체를 떠받치려면 넓은 면적의 생산자가 필요하다. 아래 탐구 카드에서 빛의 세기와 색을 바꾸며 광합성이 어떻게 달라지는지 직접 확인해 보자.
- 지구 전체로 보면 대기 바깥에 닿는 태양 에너지는 약 \(1.7 \times 10^{17}\) W로, 인류가 쓰는 에너지(약 \(2 \times 10^{13}\) W)의 약 1만 배이다. 이 가운데 약 30%는 구름과 지표에 반사되어 바로 우주로 돌아간다.
태양은 중심의 수소 핵융합에서 줄어든 질량을 에너지로 바꾸어 빛나고, 이 빛에너지는 지구에서 바람과 해류의 운동 에너지, 물의 위치 에너지, 광합성의 화학 에너지로 바뀐다. 그래서 처음 질문의 바람과 비, 밥과 석유는 모두 형태만 바뀐 햇빛이며, 그 과정에서 에너지의 총량은 보존된다.