지구온난화에 미치는 태양의 영향은?

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지구의 기온을 높이는 적외선 파장의 빛 

  

‘온실 효과’(greenhouse effect)라는 현상에 대한 이론을 처음 발표한 과학자는 스웨덴의 물리화학자 아르헤니우스(Svante Arrhenius 1859-1927)였다. 그는 실제로 지구상에 온실효과가 나타나기도 전인 1896년에 “이산화탄소, 산화질소, 메탄, 오존 그리고 염화불화탄소(일명 프레온가스)와 같은 기체는 열(적외선)을 잘 흡수하기 때문에, 대기 중에 포함되는 양이 증가하면 지구의 기온을 상승시킬 것이다.”라고 주장했다.

 

지구온난화의 근본 원인은 태양

 

지구온난화의 근본적 이유는 태양이 지구에 에너지를 공급하기 때문이다. 천체과학(천문학)이라고 하면 ‘태양의 과학’이라고 해도 좋을 정도로 천문학자들은 태양에 대해 많은 연구를 한다. 태양을 알면 수없는 별들에 대해 아는 것이기 때문이다. 태양은 약 46억 년 전에 탄생했으며, 지구로부터 빛이 8.3분간 와야 할 거리에 있다. 태양의 직경은 지구의 109배, 질량은 330,000배이며, 주성분은 수소이다. 그 내부에서는 매초 6억 2,000만톤의 수소가 핵융합반응을 하여 에너지를 방사하면서 헬륨으로 변하고 있다.

 

핵융합반응이 일어나는 태양 내부의 온도는 약 1,500만℃이고, 표면은 약 5,500℃이다. 태양으로부터 지구까지 도달하는 빛(전자기파)의 파장은 250~2500나노미터(1nm는 10억분의 1m)인데, 그 빛에 포함된 에너지의 대부분은 적외선과 가시광선(파장 약 400~700nm)이 차지한다. 이런 태양으로부터 받는 지구 표면의 평균 에너지는 1m2당 약 120W이고, 태양이 밝게 비치는 곳의 광도는 약 10,000럭스이다. 밝은 사무실의 밝기가 약 400럭스, 방은 50럭스, 텔레비전 스튜디오는 약 1,000럭스, 매우 흐린 날의 밝기는 100럭스 정도이다.

 

지구는 태양으로부터 오는 적외선의 에너지를 받아 주로 따뜻해진다. 그 에너지는 지면에서도 받지만 대기 중의 수증기와 온실가스로 분류되는 이산화탄소와 메탄 등이 잘 흡수한다. 태양의 에너지를 왜 수증기와 온실가스가 잘 흡수하는지 그 이유를 언급하기 전에 지구와 태양 사이의 관계를 조금 더 말하려 한다.

 

 

태양 주변을 도는 지구의 궤도는 약간 타원형이며, 지구의 자전축이 조금 기울어져 있고, 자전축은 동시에 세차운동(회전하는 팽이머리가 흔들리는 것처럼)을 하고 있기 때문에 지구와 태양의 상대적 위치와 거리가 달라지고, 그에 따라 지구가 받는 에너지의 정도가 주기적으로 달라진다. ‘밀란코비치 주기’라는 이 주기는 유고슬라비아 세르비아의 과학자 밀루틴 밀란코비치(1879-1958)가 1920년대에 수학적으로 밝혔으며, 그 주기는 길게는 100,000년, 410,000년, 23,000년으로 복잡하게 달라진다. 그리고 지구와 태양 사이의 거리가 가까워질 때 당연히 지구 기온이 더 높아지고, 먼 때는 추워져 빙하기를 맞게 된다.

 

또한 지구가 받는 태양에너지의 양은 지구 표면의 사정에 따라서도 달라진다. 예를 들어 대규모 화산폭발이 일어나 구름이 하늘을 많이 가리고 있다면 열을 적게 받는다. 반면에 온실가스는 지표면의 열이 외계로 발산되는 것을 방해한다.

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적외선이 기온을 주로 높이는 이유

 

부엌의 전자레인지는 짧은 시간에 음식을 효과적으로 데우는데 이용되는 너무나 편리한 전자장치이다. 전자레인지는 제2차 세계대전 때 미국의 레이더 기술자였던 스펜서(Percy Spencer 1894-1970)가 처음 발명했다. 전자레인지에는 ‘마그네트론’이라는 파장이 짧은 전자파를 발생하는 진공관이 들어 있다. 가정용 전자레인지의 마그네트론에서는 주파수 2.45GHz(파장 122mm)의 전자기파가 발생하는데, 이 주파수는 물의 분자만을 집중적으로 진동시켜 짧은 시간 사이에 높은 열에너지를 갖도록 하는(진동하는 운동에너지를 열에너지로 변하는) 성질이 있다.

 

마그네트론에서 방출되는 전자기파의 파장은 태양에서 오는 적외선보다는 길고, 방송용 전자기파(방송파)보다는 짧다. 이런 마이크로파를 음식에 방사하면, 음식 속의 물 분자가 진동하여 뜨거워지고, 그 열이 다른 음식 성분(단백질이나 전분 등)의 온도를 2차적으로 데워 음식을 익게 한다.

 

이와 마찬가지로, 태양에서 오는 이 주파수의 마이크로파는 대기 중의 수분 온도를 높이게 된다. 태양광의 스펙트럼 중에 가장 많은 에너지를 가지고 지구 표면까지 오는 전자기파는 적외선 파장으로 53%를 차지하고, 다음은 가시광선이 44%, 자외선은 3% 정도이며, 다른 짧은 파장의 빛이 가진 에너지는 극소량이다. 태양에서 오는 적외선 파장의 전자기파는 온실가스(온실가스 참조)라고 부르는 기체들의 온도를 선택적으로 높이는 작용을 한다. 그러므로 가시광선과 적외선 사이의 파장은 물, 이산화탄소, 메탄가스의 온도를 잘 높이는 작용을 하고 있는 것이다.

 

지구의 대기층은 투명하기 때문에 태양의 에너지는 대기층에 흡수되어 열로 변한다. 만일 태양에서 오는 에너지가 지구에 계속 축적된다면 너무 더워질 것이지만, 상당 부분은 외계로 다시 반사 또는 방출되기 때문에 거의 일정하게 유지되고 있다.

 

태양에서 오는 에너지의 양은 태양 표면의 조건에 따라 변하기도 한다. 예를 들어 뜨거운 표면에서는 파장이 짧은 전자기파가 나오고, 온도가 낮은 표면에서는 긴 파장이 방출된다. 태양 표면에서 관찰되는 흑점은 태양 표면에서 일어나는 대폭발 현상이므로, 검게 보일지라도 생각과 달리 온도가 훨씬 높기 때문에 더 많은 에너지를 방사한다. 그러므로 흑점활동이 심한 해에는 더 많은 태양에너지가 지구로 오게 된다. 

 

 

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