1) 파장과 에너지 세기에 따른 태양 복사, 지구 복사의 전자기파
위 그림은 태양복사와 지구복사의 전자기파의 파장에 따른 에너지 세기를 나타낸 것이다. 태양 복사는 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선 영역으로 나뉘며, 에너지의 세기는 가시광선 영역에서 강하다. 그 래서 태양 복사는 단파 복사라고 한다. 반면에 지구 복사는 파장이 긴 적외선 영역에 집중되어 있어서 장파 복사라고 부른다.
3) 아래 그림을 보고 지구 대기의 복사 에너지 흡수 및 에너지 복사 평형 과정을 설명해 본다.
▶ 그림에서 A는 대기가 태양 복사 에너지(단파 복사)를 흡수하는 비율이고, B는 지표 복사 에너지(장파 복사) 를 흡수하는 비율이다.
수업 자료
(1) 수업 자료 7-1: 대기의 복사평형에 대해 알아봅시다.
지표면에 입사하는 에너지 = (1 – A)E + σT4 지표면에서 방출하는 에너지 = σTs4
▶ 그림에서 대기층에 입사하는 에너지와 대기층에서 방출하는 에너지는 무엇인가?
각각을 수식으로 정리하면 다음과 같다.
대기층에 입사하는 에너지 = AE + BσTs4
대기층에서 방출하는 에너지 = σT4
▶ 그림에서 우주에서 지구로 입사하는 에너지와 대기층의 최상부에서 우주 공간으로 방출하는 에너지는 무엇인가? 각각을 수식으로 정리하면 다음과 같다.
우주에서 지구로 입사하는 에너지 = E
대기층 최상부에서 우주로 방출하는 에너지 = σT4+ (1 – B)σTs4
▶ 대기층 최상부에서 지구와 우주 사이의 복사 평형(입사량 = 방출량)을 식으로 표현하면 다음과 같다.
E = σT4+ (1 – B)σTs4 --- 식(1)
▶ 지표면에서 에너지 복사 평형(입사량 = 방출량)을 식으로 표현하면 다음과 같다.
(1 – A)E + σT4 = σTs4 --- 식(2)
▶ 식(1)과 식(2)에서 σT4 을 소거하면,
--- 식(3)
▶ 즉, 지표면에서 방출하는 복사 에너지는 대기가 단파 복사를 흡수하는 비율과 장파 복사를 흡수하는 비율에 따라 그 양이 결정됨을 알 수 있다.
4) 식 (3)에서 E 와 σTs4의 양이 어떤 관계에 있을 때 지구 대기층에 의해 온실 효과가 발생하는 것일까?
▶ 식(3)에서 만약 A < B 이면, 즉 대기가 태양 복사보다 지구 복사를 더 잘 흡수한다면,
σTs4 > E 가 된다. 이 상황은 지표면의 복사 에너지가 들어온 태양 복사 에너지보다 더 크다는 것을 말한다. 즉 태양열이 가열하여 형성되는 지표면의 온도보다 지구의 온도가 더 높아지는 온실효과가 일 어난다.
▶ 식(3)에서 만약 A = B 이면, 즉 대기가 태양 복사를 흡수하는 비율과 지구 복사를 흡수하는 비율이 같 다면, σTs4
= E 가 된다. 이 상황은 지표면이 방출하는 복사 에너지는 입사되는 태양 복사 에너지량과 같다는 것이다. 이와 같은 조건이라면, 지표면의 온도 Ts는 이론적으로 255K (=-18℃)가 된다. 즉, 지구 는 지금보다 훨씬 추운 행성이 되는 것이다.
▶ 식(3)에서 만약 A > B 이면, 즉 대기가 태양 복사를 지구 복사보다 더 잘 흡수한다면,
σTs4 < E 가 된다. 이 상황은 지표면이 방출하는 복사 에너지가 입사되는 태양 복사 에너지보다 작다 는 것이다. 즉 지구 대기를 먼지나 화산재가 덮게 되면 태양 복사에 대한 반사율이 높아지고 흡수율이 낮아져서 지표 복사 에너지가 작아지고, 결과적으로 지구의 온도는 낮아진다.
▶ 따라서 온실 효과가 일어나게 하는 온실 기체의 가장 중요한 성질은 A < b 이다. 즉 대기가 지구 복 사 에너지를 태양 복사 에너지보다 선택적으로 더 잘 흡수하는 것이다.
5) 온실 기체가 태양복사는 잘 통과시키지만, 지구 복사 에너지는 많이 흡수하는 성질을 대기의 선택적 흡수라고 한다. 아래의 자료를 보고, 온실 효과를 낼 수 있는 가장 효과적인 기체는 무엇인지 토의하게 한다.
기체 기호 대기중 부피비(%) 질소 N2 78.08
산소 O2 20.95 아르곤 Ar 0.93
네온 Ne 0.0018 헬륨 He 0.0005 수소 H2 0.00006 세논 Xe 0.000009 수증기 H2O 0 ~ 4 이산화탄소 CO2 0.037
메테인 CH4 0.00017 산화질소 N2O 0.00003 오존 O3 0.000004 먼지 0.000001 프레온(CFCS) CFCln 0.00000002
▶ 각 기체들의 파장별 에너지 흡수율과 지구 대기 중 함량 비율을 함께 고려해서 온실 효과에 가장 큰 영향력을 가진 기체가 무엇인지 토의해 본다. -- 수증기와 이산화탄소의 영향력이 가장 크다.
(2) 활동지 7-1: 대기의 복사평형에 대해 알아봅시다.
학년 반 모둠명 모둠원
학습목표
-1. 지구 대기의 복사 평형 과정을 수학적으로 해석하여 온실 기체들이 공통적으로 나타내는 선택적 에너 지 흡수 현상을 이해할 수 있다.
대기의 복사평형에 대해 알아봅시다.
◉ 다음 그림을 보고 빈칸을 채워 봅시다.
1. 그림에서 지표면에 입사하는 에너지와 지표면에서 방출하는 에너지는 무엇일까요? 각각을 수식으로 정리하세요.
지표면에 입사하는 에너지 : (1 – A)E + σT4
지표면에서 방출하는 에너지 : σT4
2. 그림에서 대기층에 입사하는 에너지와 대기층에서 방출하는 에너지는 무엇일까요? 각각을 수식으로 정리하세요.
대기층에 입사하는 에너지 : AE + BσTs4
대기층에서 방출하는 에너지 : σT4
3. 그림에서 우주에서 지구로 입사하는 에너지와 대기층의 최상부에서 우주 공간으로 방출하는 에너지는 무엇일까요? 각각을 수식으로 정리하세요.
우주에서 지구로 입사하는 에너지 : E
대기층 최상부에서 우주로 방출하는 에너지 : σT4+ (1 – B)σTs4
4. 대기층 최상부에서 지구와 우주 사이의 복사 평형(입사량 = 방출량)을 식으로 표현하세요.
E = σT4+ (1 – B)σTs4
5. 지표면에서 에너지 복사 평형(입사량 = 방출량)을 식으로 표현하세요.
(1 – A)E + σT4 = σTs4
6. 4번과 5번을 이용 하여 결론을 도출할 수 있습니다. 마지막 식을 유도하여 쓰고 자신이 생각하 는 결론을 적어보세요.