도시열섬현상

왜 배우는가: 도시열섬현상은 도시화가 에너지 수요, 시민 건강, 대기 환경에 동시에 미치는 영향을 한 번에 설명하는 개념이다. 발생원인을 지표면 열수지로 설명할 수 있어야 답안의 원리 부분을 채울 수 있다. 개선방안을 녹지와 쿨루프처럼 구체적 수단으로 쓰는 것이 채점에 유리하다.

출제 이력: 제129회 2교시 1번, 제116회 1교시 12번, 제108회 2교시 1번, 제95회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

도시열섬현상(UHI)은 도시 지역의 기온과 지표면 온도가 주변 농촌 지역보다 높게 나타나는 현상이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 아래 키워드를 본문에서 설명할 수 있어야 한다.

• 열섬강도: 도심과 주변 지역의 온도 차이를 나타내는 값이다. 지표면 온도 차이로 잴 때는 지표면 열섬강도라고 한다.
• 지표면 열수지: 지표면이 받는 태양 복사에너지와 지표면이 내보내는 에너지의 균형이다. 열섬의 발생원인을 설명하는 기본 틀이다.
• 증발산: 토양 수분과 식물 잎의 물이 수증기로 바뀌면서 열을 빼앗는 작용이다.
• 알베도: 표면이 입사하는 태양 복사를 반사하는 비율이다.
• 열용량: 물질이 열을 저장하는 능력이다. 콘크리트와 아스팔트는 열용량이 커서 열을 오래 머금는다.
• 계곡 효과: 고층 건물이 만든 협곡형 도시 구조가 열 흡수와 바람 차단을 늘리는 효과이다.

2. 개념 풀이

도시열섬현상은 도시 지역의 열 환경이 주변 농촌 지역보다 높아지는 기상 현상이다. 도심 기온이 주변보다 높게 나타나는 모습이 지도 위에서 섬 모양으로 보이기 때문에 이 이름이 붙었다. 지표면 온도를 기준으로 보면 지표면 열섬, 대기 기온을 기준으로 보면 대기 열섬으로 구분하며, 두 경우 모두 도심과 주변의 온도 차이인 열섬강도로 나타낸다.

원리는 지표면 열수지에서 설명한다. 농촌 지역에서는 받은 태양 복사열의 많은 부분이 증발산에 쓰여 표면이 식는다. 도시에서는 녹지가 줄고 아스팔트와 콘크리트 포장이 넓어 이 냉각 경로가 약해지고, 남은 열이 건축물과 포장면에 저장된다. 낮에는 표면 온도가 크게 오르고, 밤에는 저장된 열이 천천히 방출되어 기온이 잘 내려가지 않는다.

도시 표면이 열을 많이 저장하는 이유는 재료의 성질에 있다. 콘크리트와 아스팔트는 열용량이 커서 열을 많이 머금고, 표면의 알베도가 낮아 태양 복사를 반사하지 않고 흡수한다. 이 두 성질이 겹쳐 도시 표면이 낮 동안 열 저장고 역할을 한다. 농촌 지역에서는 받은 태양 복사열의 많은 부분이 증발산에 쓰여 표면이 식는다는 점과 대비하면, 도시열섬의 핵심은 열이 증발산으로 빠져나가지 못하고 표면에 머무는 데 있다.

도시열섬은 도시 표면의 열 흡수와 저장이 증발산에 의한 냉각보다 커서 생기는 현상이다.

도시의 기하학적 구조도 열섬을 키운다. 고층 건물이 밀집하면 건물 벽과 도로가 햇빛을 여러 번 반사하고 흡수하여 흡수 면적이 늘어나는데, 이를 계곡 효과라고 한다. 건물은 또 바람을 막아 대류에 의한 냉각을 줄인다. 에어컨 사용, 공장, 차량에서 나오는 인공 열도 도시의 열 수지에 더해진다.

밤에는 대류가 줄고 경계층이 안정되어 역전층이 생기면 도시 공기가 지표 근처에 갇혀 따뜻하게 유지된다. 대기 오염이 심하면 대기 중 복사 과정이 바뀌어 열 방출이 줄어들고 열섬이 가속된다. 따라서 발생원인은 표면 재질, 도시 기하 구조, 인공 열, 대기 오염의 네 가지로 정리되며, 열섬은 열수지 문제이면서 대기 환경 문제와 연결된다.

3. 등장 배경과 필요성

도시열섬현상은 도시화와 함께 나타났다. 인구가 도시에 집중되면서 주거지와 도로, 산업 시설이 늘어났고, 그 과정에서 녹지와 노출된 토양이 줄고 아스팔트와 콘크리트 구조물이 그 자리를 차지했다. 이 변화로 농촌에서 가능하던 증발산 냉각이 사라지고 태양열을 흡수하는 표면이 넓어졌다.

열섬은 세 가지 측면에서 문제가 된다. 첫째, 기온 상승으로 냉방 에너지 수요가 늘어난다. 둘째, 열대야와 열 관련 질병처럼 시민 건강 피해가 커지고, 특히 노약자와 어린이가 취약하다. 셋째, 기온이 높은 조건은 광화학 반응을 촉진해 오존 농도 증가와 연결된다.

대기환경 분야에서 열섬을 다루는 이유는 열 문제와 오염 문제가 한 현상 안에서 얽혀 있기 때문이다. 열섬이 강한 날에는 고온과 대기 정체가 겹쳐 오염물질 농도가 높아지기 쉽다. 그래서 개선방안도 녹지 확충과 도시 설계로 열과 오염을 함께 낮추는 방향으로 쓰는 것이 타당하다.