지구의 복사 평형과 온실 효과

핵심 정리

지구의 기후는 태양에서 들어오는 복사 에너지와 지구에서 우주로 나가는 복사 에너지의 수지로 결정된다. 지구가 흡수하는 태양 복사 에너지와 방출하는 복사 에너지가 같아 에너지 수지가 균형을 이룬 상태를 지구 복사 평형이라고 한다. 지구 복사 평형에서 지구가 흡수하는 태양 복사 에너지와 방출하는 복사 에너지는 같다. 지구 복사 평형에 가장 큰 영향을 주는 에너지는 태양 복사 에너지이며, 지구 내부 에너지는 이 요인에 속하지 않는다.

지구에 입사하는 태양 복사는 주로 자외선, 가시광선, 적외선 영역에 걸쳐 있으며, 지표는 이를 흡수하여 데워진다. 지표에서 방출되는 적외선 복사 에너지는 흡수되는 양보다 많다. 지표가 방출하는 복사는 지표 복사이며 적외선 형태로 방출된다. 지표에서 방출된 복사 에너지 중 일부는 대기를 거치지 않고 우주로 직접 빠져나간다.

지표에서 방출된 적외선은 대기 중 온실 기체에 흡수된다.지표에서 방출되는 적외선 복사는 대기 중 온실 기체에 의해 흡수된다. 온실 기체는 가시광선 영역보다 적외선 영역의 복사 에너지를 더 많이 흡수한다. 이렇게 흡수된 에너지 일부가 지표로 되돌아오면서 지표는 태양 복사만으로 데워질 때보다 높은 온도를 유지한다. 이것이 온실 효과이다. 지구 복사 에너지는 대부분 적외선 영역으로 우주에 방출되며, 온실 기체의 양이 늘어날수록 대기의 지구 복사 흡수도가 커진다.이산화 탄소와 메테인 같은 온실 기체가 증가하면 대기의 지구 복사 흡수도가 증가한다.

복사 평형은 지구 전체와 장기 평균에 대한 개념이다. 위도별로 보면 입사하는 태양 복사와 방출하는 복사가 다르다. 지구는 연평균으로 복사 평형을 이루지만 위도별로는 복사 평형이 아니다. 저위도에서는 흡수가 방출보다 많아 복사 과잉이 나타나고, 고위도에서는 반대로 복사 부족이 나타난다. 이 차이를 극지방과 적도 사이의 열 수송이 메우므로, 위도에 관계없이 지구 전체의 방출량과 입사량은 장기적으로 균형을 이룬다.

자세히

지구 복사 평형을 이해하려면 에너지가 들어오는 경로와 나가는 경로를 나누어 보아야 한다. 들어오는 에너지는 거의 전부 태양 복사이다. 지구가 받는 태양 복사 중 일부는 구름, 대기, 지표에서 반사되고, 나머지는 대기와 지표에서 흡수된다. 나가는 에너지는 지구가 방출하는 복사이다. 지표와 대기는 흡수한 에너지를 대부분 적외선 형태로 다시 방출한다. 따라서 복사 평형은 '흡수한 태양 복사 에너지 = 방출한 복사 에너지'라는 수지 관계로 정리된다.

여기서 지표와 대기를 따로 보면 과정이 더 분명해진다. 태양 복사는 대기를 상당히 통과하여 지표에 도달하며, 지표는 가열된다. 가열된 지표는 적외선을 방출한다. 이 적외선의 일부는 대기를 그대로 빠져나가고, 일부는 온실 기체에 흡수된다. 온실 기체는 흡수한 에너지를 사방으로 다시 방출하는데, 그 일부는 지표 쪽으로 되돌아온다. 지표가 받는 에너지가 늘어나므로 지표 온도는 대기가 없을 때보다 높아진다. 이 과정이 온실 효과의 핵심이다.

온실 효과에서 중요한 것은 온실 기체가 어떤 파장을 흡수하는가이다. 온실 기체는 가시광선보다 적외선 영역에서 복사를 더 많이 흡수한다. 지표가 방출하는 복사는 적외선이므로 온실 기체에 잘 흡수된다. 반면 태양 복사의 대부분은 가시광선 영역에 있어 온실 기체를 상대적으로 잘 통과한다. 그래서 대기는 태양 빛에 대해서는 비교적 투명하고, 지표가 내보내는 적외선에 대해서는 불투명하게 작용한다. 이 차이가 지표 온도를 높이는 근본 원인이다.

온실 기체가 증가하면 대기의 복사 흡수가 늘어난다. 이산화 탄소 양이 많을수록 대기의 적외선 흡수량이 증가한다. 메테인 같은 다른 온실 기체가 증가해도 대기의 지구 복사 흡수도는 커진다. 실험에서도 이산화 탄소를 더 넣을수록 상자 안 온도 상승이 커지는 결과가 나타나며, 이는 온실 기체 증가가 온실 효과를 강화한다는 것을 보여 준다. 다만 온실 효과가 강해진다고 해서 지구 전체의 복사 평형이 깨지는 것은 아니다. 대기가 흡수한 에너지를 다시 방출하고 지표 온도가 새로운 평형점으로 올라가면 수지는 다시 균형을 이룬다.

복사 평형을 지구 밖에서 보면 또 다른 관점이 필요하다. 지구 복사 평형은 지구와 외계 공간 사이의 전 지구적 복사 교환이 평형을 이루는 것을 뜻한다. 이론적으로 지구 표면과 대기가 흡수하는 입사 태양 복사는 지표와 대기에서 나가는 장파 복사와 같아야 한다. 지구계는 태양 복사를 받아 적외선으로 되돌려 보내는 구조이므로, 우주로 나가는 에너지 총량이 들어오는 에너지 총량과 같아질 때 기온이 안정된다. 이것이 지구 기온이 장기적으로 거의 일정하게 유지되는 이유이다.

지구 외적 요인은 복사 평형 자체보다는 입사량의 분포를 바꾼다. 지구 공전 궤도의 이심률 변화는 지구 외적 기후 변화 요인이다. 자전축 경사각과 이심률이 변하면 위도별 연교차가 달라진다. 성층권에 화산재가 대량 유입되면 태양 복사 일부가 차단되어 지표 도달량이 줄어든다. 이처럼 외부 요인이나 대기 조성이 바뀌면 입사량이나 흡수량이 변하고, 지구는 새로운 복사 평형 상태로 이동한다.