Skip to menu

본문시작

Weather and Climate
2007.03.30 16:22

복사평형의 원리

Views 28451 Votes 0 Comment 0
?

Shortcut

PrevPrev Article

NextNext Article

Larger Font Smaller Font Up Down Go comment Print Attachment Update Delete
?

Shortcut

PrevPrev Article

NextNext Article

Larger Font Smaller Font Up Down Go comment Print Attachment Update Delete

복사 평형의 원리


1. 복사평형

복사 평형이란, 물체가 복사를 통하여 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지의 양이 같아서 온도가 일정하게 유지되는 상태를 말합니다. 다시 말해,

흡수한 복사 에너지량 = 방출한 복사 에너지량

인 상태를 말합니다. 복사 평형 온도는 복사 평형 상태의 온도입니다. 

아래 그림 ㈎와 같이 표면을 검게 칠한 구리통에 물을 가득 넣고, 햇빛이 비치는 곳에서 막대의 그림자가 생기지 않도록 조절하면서 충분히 오랜 시간 동안 두었을 때, 이 구리통이 흡수하는 에너지량과 방출하는 에너지량의 시간에 따른 변화는 어떻게 나타날까요?

radiative_equilibrium-noverain.gif

태양의 고도가 일정하게 유지된다면 시간이 지나더라도 구리통이 흡수하는 에너량은 변하지 않고 일정하게 유지됩니다(그림 ㈏ 참고). 그러나, 시간이 지남에 따라 구리통의 온도가 상승하면 구리통의 방출 에너지량이 증가합니다. 이것은 스테판-볼쯔만의 법칙에 따릅니다. 물체가 방출하는 에너지량은 그 물체의 표면온도의 네제곱에 비례합니다. 결국 방출 에너지량이 흡수 에너지량과 같은 양이 되면 구리통은 복사 평형에 도달하고, 구리통의 온도는 일정하게 유지됩니다.



2. 지구의 복사 평형

1) 지구의 복사 평형과 대기의 역할

radiative_equilibrium_with_or_without_atmosphere-noverain.gif


그림 ㈀과 같이 대기가 없는 지구에 대기가 갑자기 생긴다고 가정하면, 어느 정도 시간이 흐른 뒤 지구는 그림 ㈁과 비슷한 복사 평형 상태에 도달합니다.


그림 ㈀에서 지구는 복사 평형 상태: (지표) 흡수E = 방출E = 100
대기 생김
복사 평형 깨짐 : 흡수E > 방출E
지표의 온도 상승
온도 상승으로 인해 방출E 증가 (스테판-볼쯔만 법칙 참고)
방출E 증가하여 복사 평형 도달 : (지표) 흡수E = 방출E = 200
결국 대기가 존재할 때 지표의 온도가 상승한다. 

(참고) 지구의 에너지 평형 - 지구를 이루는 지표와 대기는 복사 및 대류, 전도 등을 통한 에너지 이동을 통해 에너지 평형을 이루고 있습니다. 지구의 에너지 평형이 복사에 의해서만 이루어지는 것이 아니고 대류 및 전도와 물질의 상태 변화에 의해서도 일어나기 때문에 복사 평형이라는 말보다 에너지 평형이라는 말이 더 정확합니다. 



2) 지구의 열 수지

열 수지(heat budget)는 지구를 구성하는 지표와 대기가 흡수 및 방출하는 에너지의 상호 관계를 말합니다. 지구가 안정한 계라면, 오랜 시간에 걸쳐 평균할 경우 흡수 및 방출한 에너지는 항상 평형을 이루게 됩니다.

여기서는 지구 구성 요소 중 지표와 대기를 중심으로 하여 살펴볼 것입니다. 지표와 대기가 상호간 흡수 및 방출하는 에너지량, 지구가 우주 공간에 대해 흡수 및 방출하는 에너지량을 알아보도록 하겠습니다.

earth_heat_budget_570_275-noverain.gif

주의. 지구 단위 면적당 평균 태양복사 에너지량 I/4 = 0.5 cal/cm2·min을 100%로 보았을 때, I는 태양상수)


대기

흡수 = 태양복사 20 + (지표복사 117 + 숨은열 20 + 대류와 전도 10) = 167

방출 = 우주공간으로 방출 64 + 지표로 방출 103 = 167


지표

흡수 = 태양복사 50 + 대기복사 103 = 153

방출 = 우주공간으로 방출 6 + 대기로 방출 147 = 153


태양을 포함한 우주공간

흡수 = 대기복사 64 + 지표복사 6 + 대기 반사 20 + 대기 산란 6 + 지표 반사 4 = 100

방출 = 지구로 방출 100 = 100



▷ 살펴볼 점
- 지표면이 흡수하는 평균 태양 복사 에너지 = 0.25 cal/cm2·min
이것은 지구로 진입하는 태양의 평균 태양 복사 에너지가 0.5 cal/cm2·min이며, 지표는 이것의 50%를 흡수하기 때문입니다.
- 지구의 반사율(알베도) = 30% = 지표의 반사율 4% + 대기의 반사율 26%
- 지표면에서 증발로 대기에 전달되는 에너지 = 20%
이것은 위 그림에서 숨은열에 의한 에너지의 이동이 지표에서 물의 증발에 의해 일어나기 때문입니다.



3) 위도별 열 수지

latitudinal_heat_budget_238_274-noverain.gif지구의 각 위도별 흡수 에너지량과 방출 에너지량은 오른쪽 그림과 같습니다.
각 위도별 흡수 에너지량은 각 위도별 태양의 고도에 의해 결정되며, 방출 에너지량은 각 위도별 표면 온도에 의해 대략적으로 결정됩니다. 따라서, 흡수와 방출 에너지량 둘 다 고위도에 비해 저위도에서 더 많습니다. 다만, 저위도에서는 방출량에 비해 흡수량이 더 많고, 고위도의 경우 흡수량에 비해 방출량이 더 많은 것이 차이점입니다.

흡수 에너지량 : 저위도 > 고위도
방출 에너지량 : 저위도 > 고위도

저위도 : 흡수 에너지량 > 방출 에너지량
고위도 : 흡수 에너지량 < 방출 에너지량

이 때문에 저위도에서는 열의 과잉이, 고위도에서는 열의 부족이 생깁니다. 열의 과잉과 부족은 대기와 해수의 순환에 의한 열 이동에 의해 해소됩니다. 특히, 해들리 세포와 온대 지방의 편서풍 파동은 강력한 에너지 수송 메커니즘입니다. 중위도 지방에서는 흡수 에너지량과 방출 에너지량이 같으며, 에너지 수송량이 가장 많습니다.



푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/




?

  1. No Image

    대기는 왜 균질권과 비균질권으로 구분되는가?

    지표에서 고도 80-100km 사이의 영역에서 대기는 어느 곳이나 비교적 일정한 화학조성을 유지하지만, 고도 80-100km 이상의 영역에서는 화학 조성이 고도에 따라 달라집니다. 고도가 높아질수록 더 작은 입자들이 분포하는 층상 구조를 형성합니다. 그 까닭은 다음과 같습니다. 균질권과 비균질권 모두에서 기체 입자들의 혼합은 일어납니다. 만약 혼합이 이루어지지 않는다면 기체 입자들은 중력에 의해 층상 구조를 형성할 것입니다. 지표에 가까울수록 대기압이 높아서 입자들 사이의 충돌이 자주 일어나며 이로 인해 혼합이 이루어집니...
    Date2007.05.13 CategoryWeather and Climate By조영우 Reply0 Views15223
    Read More
  2. 복각, 편각, 전자기력, 연직자기력, 수평자기력의 변화 애니메이션 (1590-1990)

    1590년에서 1990년까지의 400년 동안 복각, 편각, 전자기력, 연직자기력, 수평자기력의 변화를 보여주는 자료입니다. 1. 복각 2. 편각 3. 전자기력 4. 연직자기력 5. 수평자기력 출처 : http://geomag.usgs.gov/ 푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/
    Date2007.04.26 CategoryEarth & Planetary Science By조영우 Reply0 Views42069
    Read More
  3. 지구의 복각, 편각, 전자기력, 연직자기력, 수평자기력의 분포 (2000년)

    2000년 기준 지구의 편각 분포 자료입니다. 그림을 클릭하면 크게 볼 수 있습니다. 1. 복각의 분포 가. 메카토르 도법 나. 북아메리카 다. 북극 라. 북극 마. 전세계: 내려받기 2. 편각의 분포 가. 메카토르 도법 나. 북아메리카 다. 북극 라. 북극 마. 전세계: 내려받기 3. 전자기력의 분포 가. 메카토르 도법 나. 북아메리카 다. 북극 라. 북극 마. 전세계: 내려받기 4. 연직자기력의 분포 가. 메카토르 도법 나. 북아메리카 다. 북극 라. 북극 마. 전세계: 내려받기 5. 수평자기력의 분포 가. 메카토르 도법 나. 북아메리카 다. 북극 라...
    Date2007.04.26 CategoryEarth & Planetary Science By조영우 Reply0 Views28605
    Read More
  4. 바늘구멍사진기 Boxcope

    천체망원경의 원리, 사진기의 원리, 렌즈의 광학적 특성, 눈의 원리 등을 설명하는 데 사용할 수 있는 도구를 만들어 보았습니다. 흔히 바늘구멍 사진기(pinhole camera)라고 불리우는 것은 입구에 바늘구멍을 내고 그것을 통하여 빛을 통과시킨 뒤 상이 후면의 간유리에 맺히도록 만든 것입니다. 광학 실험에서 흔히 사용되는 실험 장치입니다. Boxcope는 바늘구멍 사진기의 원리를 그대로 사용하면서 수업 효과를 좀 더 높이기 위한 것입니다. (Boxcope는 보통명사가 아니라 고유명사입니다) Boxcope는 엄밀히 말해서 바늘구멍 사진기는 ...
    Date2007.04.24 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views15308
    Read More
  5. No Image

    회합 주기, Synodic period

    회합주기(Synodic period)란 태양을 기준으로 보았을 때 한 천체가 하늘의 특정 위치에 다시 출현하는 데 걸리는 시간을 말합니다. 예를 들어, 외행성이 충의 위치에서 출발하여 다음 충에 올 때까지 걸리는 시간, 또는 내행성이 내합의 위치에서 다음 내합의 위치에 올 때까지 걸리는 시간이 회합 주기입니다. 푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/
    Date2007.04.20 CategoryFundamentals Concepts By조영우 Reply0 Views15779
    Read More
  6. No Image

    회합주기

    [ 난이도 : 6-7 단계 ] 코페르니쿠스는 태양중심적인 우주관을 바탕으로 행성의 회합 주기와 항성 주기 사이의 관계를 다음과 같이 설명하였습니다. 먼저 외행성의 회합 주기를 알아보겠습니다. 지구와 외행성의 공전 주기를 각각 E와 P라고 하면, 이들의 공전 각속도는 각각 360/E와 360/P가 됩니다. 여기서 공전 주기는 항성일(항성을 기준으로 한 지구의 하루) 단위이며, 공전각속도의 단위는 도/항성일입니다. 회합 주기는 S로 표현하겠습니다. 외행성이 360/P의 공전 각속도로 S 기간에 걸쳐 공전하는 동안, 지구는 360/E의 공전각속...
    Date2007.04.20 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views15457
    Read More
  7. 겉보기 등급과 절대 등급, 거리 지수

    주요어: 거리지수, 거리 지수, 겉보기 등급, 절대 등급 이 글을 읽기 전에 등급의 정의와 관계식을 먼저 읽어보시기를 권합니다. 이 글과 연속적으로 구성되어 있습니다. 등급을 m, 플럭스 밀도를 F로 나타내고, 별 1과 2를 각각 첨자 1과 2로 표현한다면, 두 별 사이의 등급 차이는 다음과 같이 플럭스 밀도의 로그함수로 표현할 수 있습니다. .......... (1-1) 또는 .......... (1-2) 이것은 두 별의 등급 차이에 대해서 뿐 아니라, 어떤 두 등급에 대해서도 적용될 수 있습니다. 한 별이 우리에게 m 등급으로 보인다고 하겠습니다. 우리...
    Date2007.04.19 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views18572
    Read More
  8. 등급의 정의와 관계식

    사람의 눈은 외부에서 주어지는 빛의 자극에 대하여 로그함수적으로 반응합니다. 예를 들어 세 천체 A, B, C의 플럭스 밀도의 비가 1:10:100이라고 할 때, B는 C보다 10배 더 밝고, A도 B보다 10배 더 밝습니다. 하지만, 우리의 눈은 B와 C의 밝기 차이와 A와 B의 밝기 차이가 같다고 인식합니다. 다시 말해, 자연계에서는 배수로 표현되는 것이 우리 눈으로는 차이로 인식되는 것입니다. 배수를 차이로 변환해주는 함수는 로그함수입니다. 기원전 2세기 경 히파르코스(Hipparchos)는 별들의 밝기를 눈에 보이는 그대로 순서를 매겨서 6 등...
    Date2007.04.19 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views10944 file
    Read More
  9. No Image

    점광원과 면적원, Point source vs. Extended source

    매우 멀리 있는 별은 현대적인 관측 기기로 확대를 해도 점으로 관측되기 때문에 점광원(poiny source)이라고 하며, 태양, 금성, 달 등과 같이 지구에 가까이 있기 때문에 확대를 할 경우 그 크기를 확인할 수 있는 천체의 경우 면적원(extended source)이라고 합니다. 푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/
    Date2007.04.19 CategoryFundamentals Concepts By조영우 Reply0 Views17783
    Read More
  10. No Image

    밝기와 플럭스, Brightness vs. Flux

    밝기(brightness)와 플럭스(flux) 에너지 플럭스(energy flux) 또는 플럭스(flux), 또는 플럭스 밀도(flux density) F는 단위 시간에 단위 면적을 지나간 복사 에너지의 양입니다. 특정 진동수의 빛을 의미하는 용어인 단색광의 경우 플럭스의 단위는 W/m2Hz이며, 모든 진동수를 포함하는 경우 플럭스의 단위는 W/m2입니다. 플럭스 밀도가 매우 작은 경우에는 잰스키(Jansky)라는 단위를 사용할 수 있습니다. 1Jy = 10-26 W/m2Hz입니다. 표면 밝기(surface brightness) B는 단위 입체각당 플럭스 밀도로 정의됩니다. B = F/ω 여기서 F는 플...
    Date2007.04.19 CategoryFundamentals Concepts By조영우 Reply0 Views19163
    Read More
  11. No Image

    입체각, Solid Angle

    [ 적용 수준 : 7-8단계 ] 일반적인 각도가 원의 중심에서 보았을 때의 원호의 길이에 대응한다면, 구의 중심에서 보았을 때 구의 표면에 있는 면적에 대응하는 것은 입체각(solid angle)입니다. 각도의 단위로 라디안(radian)이 쓰이는 데 비해 입체각의 단위로는 스테라디안(steradian)이 쓰입니다. 각도의 단위로 도/분/초가 쓰이는 것처럼 입체각도 제곱도(square degree)로 표현할 수 있습니다. 원 둘레의 길이에 해당하는 각도는 2π 라디안이며, 구의 전체 면적에 해당하는 입체각은 4π 스테라디안입니다. 또한 정육면체의 중심에서 ...
    Date2007.04.19 CategoryFundamentals Concepts By조영우 Reply0 Views16928
    Read More
  12. 마그마와 용암의 차이

    암석에 가해진 압력과 온도 조건에 따라 암석이 녹을 수 있습니다. 고체 물질이 녹는 것을 용융이라고 합니다. 지표에서는 암석을 녹일 수 있는 압력과 온도 조건이 나타나지 않습니다. 지하에서는 가능합니다. 그래서 암석이 녹은 것은 지하에 저장되어 있습니다. 암석이 녹은 것을 암석의 용융체라고 하겠습니다. 암석의 용융체가 지하에 저장되어 있는 공간을 마그마 방(magma chamber)이라고 합니다. 고체 상태인 암석이 녹아서 용융체가 되면 부피가 팽창하여 밀도가 작아집니다. 그 뿐 아니라, 지하의 한정된 공간에서 부피가 팽창하...
    Date2007.04.04 CategoryGeology By조영우 Reply0 Views21678 file
    Read More
  13. 복사평형의 원리

    복사 평형의 원리 1. 복사평형 복사 평형이란, 물체가 복사를 통하여 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지의 양이 같아서 온도가 일정하게 유지되는 상태를 말합니다. 다시 말해, 흡수한 복사 에너지량 = 방출한 복사 에너지량 인 상태를 말합니다. 복사 평형 온도는 복사 평형 상태의 온도입니다.  아래 그림 ㈎와 같이 표면을 검게 칠한 구리통에 물을 가득 넣고, 햇빛이 비치는 곳에서 막대의 그림자가 생기지 않도록 조절하면서 충분히 오랜 시간 동안 두었을 때, 이 구리통이 흡수하는 에너지량과 방출하는 에너지량의 시간에 따른 변...
    Date2007.03.30 CategoryWeather and Climate By조영우 Reply0 Views28451 file
    Read More
  14. 물결파는 횡파인가?

    물결파는 횡파인가? 고등학교 참고서에서 물결파를 횡파로 기술한 것을 본 적이 있습니다. 하지만, 물결파는 횡파가 아닙니다. 먼저 횡파를 살펴 보겠습니다. 다음은 횡파의 진행과 매질의 운동을 보여주는 애니메이션입니다. 매질이 진행 방향에 수직한 방향으로만 진동하고 있습니다. 영상 출처: http://www.wikipedia.com/ 다음은 수면에서 발생한 물결파의 모습입니다. 영상 출처: http://www.wikipedia.com/ 물결파는 횡파가 아닙니다. 그렇다고 해서 종파도 아니구요. 물결파는 진행 방향에 대해 수직한 방향과 나란한 방향으로의 운...
    Date2007.03.24 CategoryGeology By조영우 Reply0 Views19353 file
    Read More
  15. 횡파인 S파가 액체와 기체를 통과하지 못하는 까닭

    횡파인 S파가 액체와 기체를 통과하지 못하는 까닭 젓가락의 양쪽 끄트머리를 고정시킨 채 적당한 크기의 힘(외력)을 가하여 가운데 부분을 젓가락과 수직한 방향으로 변형시킨다고 해보겠습니다. 가해진 외력의 결과로 젓가락은 활처럼 휘겠지요. 외력을 제거하면 젓가락은 원래의 모습으로 복원됩니다. 복원된 부분은 복원되는 데서 그치지 않고 젓가락의 길이 방향을 따라 자신의 변형을 전달합니다. 그 결과로 인접한 지점이 젓가락 길이 방향에 수직하게 변형됩니다. 두번째 변형지점 역시 복원되면서 인접한 부분을 다시 변형시킵니...
    Date2007.03.24 CategoryGeology By조영우 Reply3 Views16093 file
    Read More
  16. Z류는 제트류 또는 Jet류의 잘못된 표현

    제트기류는 Jet Stream의 우리말입니다. 속도가 매우 커서 제트 엔진의 jet으로 불리웁니다. Z류는 제트류, 제트기류 또는 Jet류에 대한 잘못된 표현입니다. <북미 대륙의 제트류, America's Jet Stream Creeping North, Climate Science Program, Iowa State University> 푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net/
    Date2007.03.24 CategoryWeather and Climate By조영우 Reply2 Views16899 file
    Read More
  17. 암석의 세 부류

    암석의 세 부류 지구상에 존재하는 암석들의 성분이나 구조 등의 특징의 차이는 화성암, 퇴적암, 변성암의 세 부류로 명확하게 구분할 수 있는 것이 아닙니다. 퇴적암보다 좀 더 큰 압력을 받아 형성된 것이 변성암이지만, 압력이 가해진 정도에 따라 매우 다양한 암석들이 존재합니다. 열이 가해져 만들어진 변성암과 화성암도 마찬가지로 어느 정도의 열이 가해졌는지에 따라 매우 다양한 암석이 있으며, 변성암과 화성암 사이에 명확한 구분을 짓기는 어렵습니다. 뚜렷한 특징들을 모아서 암석을 구분한다 하더라도, 이러하 암석들이 서...
    Date2007.03.21 CategoryGeology By조영우 Reply0 Views17208 file
    Read More
  18. 부분일식 영상 - 풍선/디스켓/탐색경 이용

    2007년 3월 19일 부분일식 관측 플로피 디스크 자켓을 벗기면 자성체가 입혀진 폴리에스터 필름이 있습니다. 다음 영상들은 이것을 통해 태양을 관찰하면서 촬영한 것입니다. (*** 주의: 플로피디스크의 폴리에스터 필름을 통해 눈으로 태양을 관찰하는 것은 매우 위험합니다. 여기에선 단지 촬영의 목적으로만 사용하였습니다. 안전한 태양관측을 위해 주의해야 할 사항에 대해서는 여기를 참고하세요.) 다음은 흰색 풍선을 통해 관찰하면서 촬영한 영상입니다. 학생이 풍선을 들고 서 있습니다. (*** 주의: 풍선을 통해 눈으로 태양을 관...
    Date2007.03.19 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views18291 file
    Read More
  19. 부분일식 영상, 2007년 3월 19일, LX200R 이용

    부분일식, 2007년 3월 19일, 11시 32분 23초 Meade LX200R UHTC 8", D=200mm, f/10, 직초점 Canon EOS 350D, ISO 100, 1/640s 영상 처리 : 밝기 조정, 선예도 강화, 촬상면 먼지 제거 오늘(3월 19일) 오전에 있었던 부분일식 촬영 영상입니다. 다음은 일식의 시작부터 끝까지 시간 순서로 나타낸 것입니다. Meade LX200R UHTC 8" 망원경에 Canon EOS 350D 사진기를 직초점으로 연결하여 사용하였습니다. 영상의 왼쪽 위에 촬영 시각이 있습니다. 탐색경을 통한 촬영 탐색경 태양 필터로는 플로피 디스크의 폴리에스터 필름 자성체를 사용...
    Date2007.03.19 CategoryAstronomy By조영우 Reply0 Views17662 file
    Read More
  20. 목성의 소적반 (뉴허라이즌의 목성 근접 촬영)

    큰 사진 보기 제공: 미항공우주국(NASA), 존스홉킨스 대학교 응용물리연구실(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), 싸우스웨스트 연구소(Southwest Research Institute) 2006년 초에 발사된 뉴허라이즌 탐사선(New Horizons)이 지난 주에 목성 근처를 지나면서 촬영한 목성의 영상입니다. 뉴허라이즌은 목성의 중력을 이용하여 속력을 가속함으로써 다음 목표인 명왕성을 향해 날아가게 됩니다. 명왕성에는 2015년 도착 예정입니다. 뉴허라이즌은 이번에 목성을 통과하면서 목성의 여러 위성과 복잡하면서도 끊임없이 ...
    Date2007.03.08 CategoryEarth & Planetary Science By조영우 Reply0 Views13068 file
    Read More
List
Board Pagination Prev 1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ... 16 Next
/ 16