2. 지구 및 대기의 온난화

온도와 열전달

  • 기온(temperature): 원자와 분자의 평균 운동 속도를 나타내는 척도
    • "따뜻하고 밀도가 작은(가벼운) 공기"
    • "차갑고 밀도가 큰(무거운) 공기"
  • (heat): 한 물체와 다른 물체 사이의 온도차 때문에 이동 과정에 있는 에너지
    • 열전달 메커니즘: 전도, 대류, 복사
    • 열은 언제나 상대적으로 더운 곳에서 찬 곳으로 이동하며, 양쪽의 온도차가 클수록 이동속도는 빨라진다.

온도 눈금

절대눈금 aka 켈빈눈금

  • 절대영도 = -273 ℃

화씨눈금

  • 물이 어는 온도를 32 ℉, 물이 끓는 온도를 212 ℉

섭씨눈금

  • 물이 어는 온도를 0 ℃, 물이 끓는 온도를 100 ℃
(1)
\begin{align} ^\circ \mathrm{C} = {5 \over 9} ( ^\circ \mathrm{F} - 32 ) \end{align}
(2)
\begin{align} \mathrm{K} = ^\circ \mathrm{C} + 273 \end{align}

잠열

  • 현열(sensible heat): 온도계로 측정할 수 있는 열
  • 잠열(latent heat): 상전이를 일으키는 데 필요한 열에너지

물이 증발하면서 빼앗긴 에너지는 수증기 분자 속에 "갇혀(숨어)"있다.

실온에서 물 1 그램의 증발잠열 = 응결잠열 = 600 칼로리

전도

전도(conduction): 물질 내부에서 분자와 분자 사이를 오가는 열이동.

  • 분자에서 분자로 에너지를 쉽게 통과시키는 물체 = 전도율이 높다.
  • 공기는 열전도율이 매우 낮다, 바람 없는 날씨에 지상의 열기가 전도되는 범위는 상공 수 cm에 불과
  • 공기의 열에너지가 빠르게 이동되는 기작은?
물체 열전도도(W/m℃)
정지공기 0.023
0.08
건조토양 0.25
0.60
0.63
습윤토양 2.1
얼음 2.1
모래 2.6
화강암 2.7
80
427

대류

대류(convection): 물, 공기 같은 유체의 집단이동을 통한 열전달

  • 더운 공기(팽창 → 밀도 낮음)가 위로 상승하고 찬 공기가 가라앉는 열의 연직교환을 기상학에서 대류라 함
  • 상승하는 공기덩어리를 열기포(thermal)라고 한다.
  • 상승한 공기는 점차 퍼졌다가 다시 하강하고, 지표면 근처에서 더워져 다시 상승.
  • 대류성 순환에서 따뜻한 상승공기는 팽창하면서 식고 하강공기는 압축되면서 더워진다.

복사

복사(radiation): 빛, 즉 전자기파를 통한 열전달

  • 태양 → 지구 열전달이 복사.
  • 복사에 관한 네 가지 법칙:

1. 플랑크 법칙

(3)
\begin{align} E_\lambda (T) = {C_1 \over \lambda^3} {1 \over { \exp \left( {C^2 \over \lambda^T} \right) -1 }} \end{align}

2. 빈의 변위법칙

(4)
\begin{align} \lambda_\mathrm{max} = {\mathrm{const.} \over T} \end{align}

3. 슈테판-볼츠만 법칙

(5)
\begin{align} E = \sigma T^4 \end{align}

4. 키르히호프 법칙

균형작용─흡수, 방출 및 평형

기온: 대기의 온도

  • 온도는 물질을 이루는 입자의 운동 에너지로 결정된다.
  • 실제 온도값과 인간이 느끼는 열에는 큰 차이가 있음 — 온도가 같더라도 사람의 피부를 덥히는 입자의 개수가 다르기 때문
    • 실온에 금속이 있을 때, 방 안 공기와 금속의 온도는 같지만 사람은 금속에서 더 시원함을 느낀다
    • 인간은 온도 50 ℃의 공기 속에서 생존할 수 있지만 같은 온도의 수조 속에서는 생존할 수 없다.

지구와 태양의 규모 차이 때문에 태양광은 지구에 평행 입사한다고 근사된다.

시간과 공간에 대한 평균으로 보면 입사하는 태양 복사는 지구에서 우주공간으로 방출하는 복사와 그 크기가 같아진다. 이런 상태가 일어나는 평균 온도를 복사평형온도(radiative equilibrium temperature)라 한다.

$R$이 지구의 반경, $S$는 태양상수일 때

(6)
\begin{align} S(1- \alpha ) \times \pi R^2 = e \sigma T^4 4 \pi R^2 \end{align}

지구가 흑체라면 $e = 1$,

태양상수 $S = 1370 \quad \mathrm{W m^{-2}}$,
슈테판-볼츠만 상수 $\sigma = 5.67 \times 10^{-8} \quad \mathrm{W m^{-2} K^{-4} }$,
반사율 $alpha = 30%$

(7)
\begin{align} \pi R^2 (1- \alpha ) S & = 4 \pi R^2 \sigma T^4 \\ 0.7 S & = 4 \sigma T^4 \\ T& = ^4 \sqrt{{S \over {4 \sigma}}} \end{align}

지구 복사 평형 온도의 계산 값은 $T ~ 255 \quad \mathrm{K} = - 18 \quad ^\circ \mathrm{C}$
그러나 이 값은 실제 평균표면온도 $T ~ 288 \quad \mathrm{K} = 15 \quad ^\circ \mathrm{C}$보다 훨씬 낮다.
온실효과가 고려되지 않았기 때문.

전자기파와 지구 대기의 상호작용

  • 전달(transmission): 방향과 진동수 유지
  • 흡수(absorption): 광자의 감소
  • 산란(scattering): 빛살이 모든 방향으로 향하지만 파장-진동수 변화 없음
  • 반사(reflection): 물체 표면에서 경로 변화, 그 변화는 표면의 모양에 따라 결정
  • 방출(emission): 광자의 생성(태양 복사와는 다른 파장에서)

지구 대기의 에너지 균형

earth-energy-budget.png

지구의 계절

북반구의 계절

남반구의 계절

국지 계절변화