대기과학(Atmospheric Science) 문답 #2. Energy: Warming & Cooling Earth and the Atmosphere

#1. 위도에 따른 지구의 에너지 불균형과 이의 해소를 위하여 발달하는 메커니즘을 서술하시오.

위도에 따른 태양복사에너지선속밀도가 다르기 때문에, 일반적으로 지구의 에너지 분포는 저위도에서 과잉(지구복사보다 태양복사가 더 많이 입사), 고위도에서 부족(지구복사가 태양복사보다 더 많음)의 분포가 나타나게 된다. 지구에서는 이러한 위도에 따른 에너지의 불균형을 해소하기 위하여 보통 대기와 해양의 순환이 일어난다고 생각된다.

#2. 단파복사, 장파복사와 관련하여 기온의 일변화를 설명하시오. 하루 중 최고 기온이 나타나는 시각과 최저 기온이 나타나는 시각은 각각 언제인가?

하루 중 지표면으로의 태양의 단파복사 입사량이 지표의 장파복사 방출량보다 더 큰 경우, 지표면은 복사가열되어 그 온도가 상승하고 이는 인접한 지표 근방의 대기 기온을 상승시키는 결과를 가져온다. 반대로, 하루 중 지표면으로의 태양의 단파복사 입사량이 지표의 장파복사 방출량보다 적은 경우, 지표면은 복사냉각되어 그 온도가 하강하고 이는 인접한 지표 근방의 대기 기온을 하강시키는 결과를 가져온다. 지표면에 입사하는 태양의 단파복사 입사량이 지표의 장파복사 입사량과 동일한 경우 지표는 복사 평형 상태에 도달하게 된다.

하루 중 오전 6시에 일출이 일어나고 오후 6시에 일몰이 일어난다고 하면, 보통 일출 이후에는 단파복사 입사량의 증가로 지표와 그에 인접된 대기가 복사 가열되므로, 주로 일최저기온은 일출 전 즈음하여 발생한다. 이후에는 태양의 단파복사 입사량의 증가에 따라 기온이 상승하다가, 오후 2 ~ 4시 전후에 태양의 고도가 낮아지면서 태양의 단파복사 입사량이 지구의 장파복사 방출량보다 감소하며, 이에 따라 지표와 그 근방 대기는 복사냉각되어 기온이 낮아지게 되므로 이 즈음하여 극대점, 즉 일최고기온이 나타나게 된다.

#3. 대기경계층을 정의하시오. 대기경계층과 대기오염 사이에는 어떤 관계가 있는가?

대기에서 연직 혼합이 일어나는 상한, 또는 지표의 대기(물질 · 상태)가 영향을 미칠 수 있는 범위, 즉 지표에서 일어나는 모종의 사건들이 영향을 줄 수 있는 대기의 경계(상한)층을 대기경계층(행성경계층)이라 한다. 대기경계층의 고도가 낮은 경우에는 지표에서 대기오염이 발생하였을 때에 그 오염 물질이 높게 퍼지지 못하므로, 대기경계층의 고도가 높아 반대로 그 오염 물질들이 높게 퍼질 수 있는 경우와 대비하여 대기 오염물의 농도가 높은 효과를 가져온다.

일반적으로 대기 경계층의 고도는 대기 기둥의 복사 가열에 의한 팽창 등에 영향을 받으므로, 일반적으로 지표 기온이 높은 경우에 더 높아지는 경향을 보인다. 따라서 대기경계층고는 그 일변화가 주로 일출 이후 증가하였다가 14시 ~ 16시 부근에서 정점을 보이고 다시 감소하는 경향을 보인다.

#4. 열과 온도를 각각 정의하시오. 다양한 온도 척도를 설명하시오.

열은 온도 차이에 의하여 두 물체 사이에 에너지가 이동하는 현상 또는 그 때에 이동하는 에너지를 가리키며, 온도는 그 물체를 구성하는 미시 입자(원자, 분자 등)들의 평균적인 운동 에너지를 지시하는 척도로 생각할 수 있다. 온도 척도에는 섭씨 온도(℃), 화씨 온도(℉), 절대 온도(K) 등이 있다.

섭씨 온도의 경우는 물의 어는점을 0도, 끓는점을 100도로 하여 그 사이를 100등분한 온도 체계로 이해할 수 있으며, 화씨 온도의 경우는 물의 어는점을 32도, 끓는점을 212도로 하여 그 사이를 180등분한 온도 체계로 이해할 수 있다. 절대 온도의 경우는 이론적으로 모든 미시 입자의 운동이 정지되는 절대 영도(0K)를 기준으로 하며, 섭씨 온도와 동일한 간격의 눈금을 가지는 온도 체계로 이해할 수 있다.

#5. 다음 각각의 기상 용어들을 정의하시오.

#5-1. 일교차

일최고기온과 일최저기온의 차이를 일교차라고 한다.

#5-2. 일평균기온

일최고기온과 일최저기온의 평균을 일평균기온으로 정의한다.

#5-3. 평균(평년)기온

해당 기간의 지난 과거 30년 동안의 자료의 평균이다. 예를 들어, 2021년 8월의 평년 기온은 2020년 8월, 2019년 8월, … 로 하여 과거 30년 동안의 8월 기온 자료의 평균으로 생각해볼 수 있다.

#5-4. 기온 연교차

그 해의 가장 더웠던 달의 월 평균기온과 그 해에 가장 추웠던 달의 월 평균기온의 차이를 기온 연교차라 한다.

#5-5. 연평균기온

한 해 동안의 일평균기온들의 평균을 연평균기온이라 한다.

6. 잠열 출입, 전도, 대류, 이류, 복사를 각각 설명하고 이들이 대기 중에서 어떤 식의 열수송에 기여하는지 예를 들어 설명하시오.

대기에서는 잠열 출입, 전도, 대류, 이류, 복사 등의 다양한 방식으로 열적 출입이 발생한다.

잠열 출입의 경우는 물질의 상태 변화에서 발생하는 열적 출입으로서, 주로 대기의 경우는 수증기에 의한 잠열의 방출 및 흡수를 통해 열적 수송이 일어난다. 대기에서는 그 연직 방향의 열 전달의 상당량이 주로 물의 순환과 연계된 잠열의 방출 · 흡수와 연계되어 있다.

전도는 물질이 직접 이동하지는 않고, 진동과 충돌 등을 통하여 인접한 타 물질 내지는 입자에 진동 · 병진 · 회전 운동 에너지를 전달함으로써 열을 전달하는 과정으로 생각할 수 있다. 지표 근처에서 지표의 복사 가열이 일어났을 때에는 주로 전도에 의하여 그 지표 부근의 공기가 가열되어 기온이 상승한다. 한편, 전도의 경우는 열전도의 법칙 ${{dQ}\over{dt}}={kA}{{\Delta T}\over{\Delta x}}$를 따르는데, 이 때 비례상수 $k$를 열전도도라 한다. 공기의 열전도도는 대개 매우 낮아서 대기과학에서 전도는 주요한 열 전달의 메커니즘이 되지는 못하지만, 빙하에 눈이 덮이는 경우 빙하가 잘 녹지 않는 현상은 눈의 높은 알베도를 비롯하여 눈의 열 전도도가 얼음의 열 전도도보다 낮다는 사실 때문에 눈이 일종의 단열재 역할을 한다는 것으로 설명할 수도 있다.

물리학에서는 보통 대류를 물질이 직접 이동하여 열을 전달하는 방법이라 정의하지만, 대기과학에서는 특별히 이를 연직적인 대류에 한하여 사용하는 편이다. 반면 수평적인 경우는 이류라는 용어를 더 사용하는 편이다. 열적 순환 등이나 대기의 전체적인 대순환에는 대류의 영향이 압도적이고 또한 중요하다.

바람이 불지 않을 때 지표의 국지 가열은 열기포를 발생시켜 상승시킨다. 이러한 현상은 하나의 대기에서의 대류 현상의 예시로 볼 수 있다. 한편, 주로 대기과학에서는 이류가 기단의 이동 등과 관계되므로, 한랭기단이 수평적으로 이동하는 것을 한랭이류, 온난기단이 수평적으로 이동하는 것을 온난이류라고 한다.

복사의 경우는 열이 직접적인 매개 물질을 거치지 않고서 전자기파의 형태로 전달되는 방식을 말한다. 주로 태양복사나 지구의 장파복사에 의한 열적 균형이나 지표 기온의 변화가 대기과학에서 복사가 열수송에 기여하는 방식이라고 생각해볼 수도 있다.

#7. 흑체를 정의하고, 플랑크 법칙, 빈의 변위 법칙, 슈테판-볼츠만 법칙을 설명하시오.

주어지는 모든 파장의 전자기파를 흡수하고, 플랑크 법칙 · 빈의 변위 법칙 · 슈테판-볼츠만 법칙 등의 복사 법칙에 따라 복사를 등방적으로 방출하는 이상적인 물체를 흑체라고 한다.

플랑크 법칙은 온도와 파장에 따른 흑체의 방출단색복사휘도에 관한 법칙이다. 정확한 것은 아니지만, 대체로 흑체에서 복사 방출의 세기는 파장에 반비례한다. (정확하게 표현하자면, 대체로 흑체에서 방출하는 복사의 세기는 그 광의 파장이 짧을수록 강한 편이다.), 플랑크 법칙에 따르면, 흑체는 그 표면온도가 높을수록 더 많은 복사 에너지를 방출하되 더 짧은 파장대의 광을 방출한다. 흔히 다음과 같은 수식으로 기술되기도 한다: $B_{\lambda}(T)={{2hc^2}\over{\lambda^5 (e^{hc/ \lambda kT} – 1)}}$

빈의 변위 법칙은 흑체에서 가장 단색복사휘도가 높은 파장과 그 흑체의 표면 온도는 반비례한다는 법칙이다. 즉, 일반적으로 표면 온도가 높은 흑체의 경우에는 그 최대단색복사휘도 파장이 짧고, 온도가 낮은 흑체의 경우에는 그 최대단색복사휘도 파장이 길다. 일반적으로 다음과 같은 수식으로 쓰일 수 있다. $\lambda_{max} = {a \over T},\; a=2897 ㎛ K$

슈테판-볼츠만 법칙은 흑체가 단위 면적, 단위 시간당 방출하는 에너지는 그 흑체의 표면온도의 4승에 비례한다는 법칙이다. 따라서 흑체 표면 온도에 작은 변화가 일어도 그 방출 에너지는 크게 변화함을 알 수 있다. 일반적으로 흑체가 아닌 물체에 대하여, 흑체가 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 방출하는 에너지에 대한 그 물체의 방출 에너지의 비율을 방출률 $\epsilon$으로 두어 다음과 같은 수식으로 표현하기도 한다: ${{dE} \over {A dt}} = \sigma \epsilon T^4,\; \sigma = 5.67\times 10^{-8} W/m^2 K^4$

#8. 태양 상수란 무엇인가? 이것이 변동하는 요인과 지구 기온에 미치는 영향은 어떠한가? 또, 대기의 창이란 무엇을 가리키는 용어인가? 이것의 존재 의의는 무엇인가?

지구 대기권의 최상단에서, 지구 단면(태양 광선에 수직한)이 받는 태양복사의 단위면적, 단위 시간당 양(태양복사선속밀도)을 태양상수라 정의한다. 태양상수의 일반적인 값은 $2 cal / min · cm^{2}$로 알려져 있다. 일반적으로 태양상수는 지구가 받는 태양복사의 총량을 지시하므로, 그 변동이 기온 변화에 영향을 미칠 수도 있기는 하지만 극도로 미미하다. 보통 11년 주기의 흑점 변동이나 플레어 등에 따른 태양 활동의 변화가 지구 기온이나 대기 순환에 약간의 영향을 미칠 수 있기는 하다.

대기의 창은 지구 복사가 대기에 의하여 재흡수되지 아니하고 그대로 우주 공간 밖으로 빠져나갈 수 있는 약 8~11㎛ 부근대의 파장대를 말한다. 이들 대기의 창에 상응하는 파장대가 존재하기 때문에 지상에서 우주를 관측하기에 용이하다.

#9. 온실 효과를 정의하고, 양의 되먹임 작용과 음의 되먹임 작용을 정의한 후, 지구의 온실 효과에 있어서 양의 되먹임 작용에 대한 예시를 하나 들어보시오.

지구와 태양의 복사 평형만을 고려하여 지구의 이론적인 복사 평형 온도를 고려하면 실제 지구의 평균 기온으로 알려진 약 영상 15도보다도 한참 낮다. (약 255K) 실제 지구의 기온은 이보다 높은데, 이것은 지구 대기에 속한 온실 기체들이 지구의 장파 복사를 각 기체종의 분자 구조 특성 등에 따라 선택적으로 재흡수 및 방출하는 온실 효과에 의한 것이다. 즉, 온실 효과는 수증기, 이산화탄소, 메테인 등의 온실 기체들이 지구의 장파 복사를 재흡수 및 방출하는 효과로 정의될 수 있다.

양의 되먹임 작용은 어떤 작용의 결과가 궁극적으로 그 작용을 촉진하는 방향으로 이루어지는 작용을 말하며, 음의 되먹임 작용은 어떤 작용의 결과가 궁극적으로 그 작용을 억제하는 방향으로 이루어지는 작용을 말한다. 지구의 온실 효과에 있어서 양의 되먹임 작용은 극권에서의 빙하와 관련있는 것이 하나 있다. 즉, 지구의 온실 효과로 인하여 지구 평균 기온이 상승하면 극권의 빙하 면적이 줄어들고, 이에 의하여 지구의 알베도가 감소하여 지표에 태양 복사가 추가로 유입되어 지구의 온실 효과를 가속하는 식의 양의 되먹임 작용이 하나 있다.

#10. 빛의 산란 · 반사 · 투과를 설명하시오.

빛이 굴절률이 다르고 작은 크기의 입자 사이를 통과하면서 무작위적인 방향으로 그 진행 방향이 꺾이는 현상을 빛의 산란이라고 하며, 빛이 어떤 매질의 경계면 등에서 그 진행 방향이 반대로 꺾이는 현상을 빛의 반사, 빛이 입자 사이 등을 통과하는 현상을 투과라고 한다.

#11. 입자의 크기와 빛의 산란 형태에 대하여 설명하시오. 특히, 레일리 산란과 미 산란을 중심으로 비교하시오. 노을의 이유를 산란으로 설명하시오.

빛의 산란 형태는 빛의 파장과 입자의 크기 사이의 관계에 따라 달라진다. 빛의 파장보다 입자의 크기가 충분히 작은 경우, 레일리 산란이 일어난다. 주로 산란은 광의 파장이 짧을수록 잘 일어나는 편이다. 레일리 산란은 전방산란과 후방산란이 거의 동등하고 대칭적으로 일어난다. 반면 빛의 파장과 입자의 크기가 비슷한 경우, 미 산란이 일어나며 미 산란은 전방산란이 압도적으로 더 크게 일어나며 입자의 크기가 클수록 전방산란이 더 커진다. 입자의 크기가 충분히 크면 산란이 일어나는 것이 아니라 그림자가 지고, 입자의 크기가 충분히 작으면 빛은 그대로 투과하며 산란을 일으키지는 않는다.

노을의 경우는 지표 상의 관측자까지 태양 광선이 도달하기 위하여 통과하여야 하는 광학적 투과 거리가 증가함에 따라, 단파장대에 해당하는 푸른 색 계열의 가시광선이 산란되어 관측자까지 도달하지 못하고, 상대적으로 산란이 적게 되는 장파장대에 해당하는 붉은 색 계열의 가시광선이 지표의 관측자에게 도달하므로 붉게 보이는 것이다.

#12. 흡수도, 반사도, 투과도와 알베도를 정의하시오. 이들 간에 수식적인 관계가 존재하는가?

구름과 같은 어떤 물체에 입사한 총 복사 에너지에 대한 그 물체가 흡수한 총 복사 에너지의 양의 비율을 흡수도로 정의하고 $a$로 쓰며, 입사 총 복사 에너지량에 대한 그 물체가 반사한 총 복사 에너지의 양의 비율을 반사도로 정의하고 $r$로 쓴다. 또한 그 물체에 입사한 총 복사 에너지량에 대한 그 물체에 투과된 총 복사 에너지의 양을 투과도로 정의하고 $t$로 쓴다. 알베도는 태양에 대한 지구 전체의 반사도라고 정의될 수 있으며, 그 값은 약 0.3으로 알려져 있다.

흡수도와 반사도, 투과도 사이의 관계는 에너지 보존 법칙과 한 물체에 입사한 광에너지는 흡수되거나 반사되거나 투과될 수밖에 없다는 점을 생각해보면, 그들의 합이 1인 관계를 가진다. 즉, $a + r + t = 1$이다.

#13. 지구의 복사 평형에 대하여 설명하시오.

지구의 경우는 태양이 방출하는 단파 복사와 지구가 방출하는 장파 복사의 균형을 이루어 그 평균적인 기온을 유지한다. 이것을 지구의 복사 평형이라고 볼 수 있다.

#14. 지구의 계절의 발생 원인은 무엇인가? 지구-태양 간의 거리는 지구의 계절에 영향을 미치는 요인이라고 할 수 있나?

지구에서 계절의 발생 원인은 지구-태양 간의 거리가 아닌 지구 자전축이 기울어짐과 공전에 따른 시기별 태양복사선속밀도의 차이이다. 북반구의 경우 오히려 더 추운 겨울철에 지구-태양 간의 거리가 더욱 가깝다는 점을 생각해보면, 지구-태양 간의 거리는 지구의 계절에 영향을 미치는 요인이라고 할 수는 없다.