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?

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

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.

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

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

방출 = 우주공간으로 방출 64 + 지표로 방출 103 = 167

흡수 = 태양복사 50 + 대기복사 103 = 153

방출 = 우주공간으로 방출 6 + 대기로 방출 147 = 153

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

지구의 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/