중2 과학/대기권의 특징/태양복사에너지/지구복사에너지/복사평형

지표가 햇빛을 오랫동안 받으면 온도가 높아진다. 이는 태양이 방출하는 에너지가 지구로 전달되었기 때문이다. 물질의 도움을 받지 않고 직접 전달되는 에너지를 복사 에너지라고 하는데, 모든 물체는 복사 에너지를 방출하고 있다. 태양이 방출하는 복사 에너지는 태양 복사 에너지라 하고, 지구가 방출하는 복사 에너지는 지구 복사 에너지라고 한다. 지구를 둘러싸고 있는 기권의 기온은 태양 복사 에너지와 지구 복사 에너지의 영향을 받는다. 기권은 태양 복사 에너지의 영향을 받아 태양에서 멀어질수록 기온이 낮다. 그러나 지표 부근에서는 지구 복사 에너지의 영향을 더 많이 받기 때문에 지표에서 멀어질수록 기온이 낮다. 태양 복사 에너지와 지구 복사 에너지의 영향으로 기권의 실제 기온 분포는 다음과 같다. 기권은 높이에 따른 기온 변화를 기준으로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분한다. 지표로부터 높이 약 11 km까지는 지구 복사 에너지의 영향으로 높이 올라갈수록 기온이 낮아지는데, 이 층을 대류권이라고 한다. 대류권에서는 기온이 높은 공기가 아래쪽에 있으므로 대류가 잘 일어나고, 대부분의 공기와 수증기가 모여 있다. 따라서 눈이나 비가 오는 등 기상 현상이 나타난다. 높이 약 11 km에서 약 50 km까지는 높이 올라갈수록 기온이 높아지는데, 이 층을 성층권이라고 한다. 성층권에는 오존층이 존재하고, 오존층이 태양의 자외선을 흡수하여 기온이 높아진다. 성층권에서는 기온이 높은 공기가 위쪽에 있으므로 대류가 일어나지 않는다. 높이 약 50 km에서 약 80 km까지는 높이 올라갈수록 기온이 낮아지는데, 이 층을 중간권이라고 한다. 중간권에서는 최저 기온이 나타난다. 대류는 일어나지만 수증기가 없으므로 기상 현상이 일어나지 않는다. 또한, 지구로 들어오는 암석 조각들이 타면서 유성으로 관측되기도 한다. 높이 약 80 km보다 높은 곳은 태양 복사 에너지의 영향으로 높이 올라갈수록 기온이 높아지는데, 이 층을 열권이라고 한다. 열권에서는 공기가 희박하여 낮과 밤의 기온차가 매우 크다. 또한, 오로라가 관측되기도 한다. 한편, 기권은 여러 가지 기체로 이루어져 있다. 기권은 질소와 산소가 대부분을 차지하고 있고, 그 밖에도 아르곤, 이산화 탄소 등을 포함하고 있다. 이 중 산소는 생물의 호흡에 필요하며, 이산화 탄소는 생물의 광합성에 필요하다. 기권에 있는 오존층은 외권에서 들어오는 자외선이 지상에 도달하는 것을 막아 준다. 그리고 외권에서 지구로 들어오는 암석 조각들은 대기와 마찰하여 타버리므로 지상에 거의 도달하지 않는다. 이처럼 기권은 생물이 살아가는 데 필요한 기체를 제공할 뿐만 아니라 지상 의 생물체를 보호해 주는 등 다양한 역할을 하고 있다. 태양은 지구계 구성 요소들에 영향을 미치고, 생물체가 살기 좋은 환경을 만드는 데 중요한 에너지원이다. 지구는 태양 복사 에너지를 끊임없이 흡수하면서 지구 복사 에너지를 방출한다. 전열기로 알루미늄 컵을 가열하면 처음에는 온도가 올라가다가 시간이 지나면 일정해진다. 처음에는 알루미늄 컵이 흡수하는 복사 에너지양이 방출하는 복사 에너지양보다 많지만, 시간이 지나면 알루미늄 컵이 흡수하는 복사 에너지양과 방출하는 복사 에너지양이 같아지기 때문이다. 이처럼 어떤 물체가 흡수하는 복사 에너지양과 방출하는 복사 에너지양이 같은 상태를 복사 평형이라고 한다. 지구도 복사 평형을 이루고 있어 평균 기온이 일정하게 유지된다. 지구에 대기가 없다면 지구가 흡수한 태양 복사 에너지는 모두 지구 복사 에너지로 방출되면서 복사 평형이 이루어지고, 지구의 평균 기온은 현재보다 낮을 것이다. 실제로 지구는 대기에 둘러싸여 있기 때문에 복사 평형이 이루어진다. 지구로 들어오는 태양 복사 에너지를 100 %라고 할 때, 약 30 %는 반사되어 우주로 나가고 약 70 %는 대기와 지표에 흡수된다. 지표에서 방출되는 에너지는 대부분 지구 복사 에너지로 방출된다. 그중 일부는 우주로 바로 방출되지만, 나머지는 대기에 흡수되었다가 다시 우주와 지표로 방출된다. 결국, 지구가 흡수한 70 %의 태양 복사 에너지와 같은 양의 지구 복사 에너지가 우주로 방출된다. 이 과정을 거치는 동안 대기에 흡수되었다가 다시 지표로 방출된 복사 에너지 때문에 지구의 평균 기온이 높아지는데, 이러한 현상을 온실 효과라고 한다. 지구는 온실 효과 때문에 대기가 없을 때보다 높은 온도에서 복사 평형을 이룬다. 대기를 이루고 있는 기체 중에서 지구 복사 에너지를 흡수하여 온실 효과를 일으키는 기체를 온실기체라고 한다. 온실기체로는 수증기, 이산화 탄소, 메테인 등이 있다. 지구 전체로 보았을 때는 복사 평형이 이루어져 평균 기온이 거의 일정하게 유지된다. 그런데 지구의 저위도 지역은 기온이 높고, 고위도 지역은 기온이 낮다. 지구에서는 위도에 따라 태양 고도가 달라진다. 따라서 저위도 지역은 태양 고도가 높아 같은 넓이에 흡수되는 태양 복사 에너지양이 많으므로 기온이 높다. 그리고 고위도 지역은 태양 고도가 낮아 같은 넓이에 흡수되는 태양 복사 에너지양이 적으므로 기온이 낮다.지구가 흡수하는 태양 복사 에너지양은 위도에 따른 차이가 크다. 그러나 지구가 방출하는 지구 복사 에너지양은 위도에 따른 차이가 작다. 저위도 지역에서는 흡수하는 태양 복사 에너지양이 방출하는 지구 복사 에너지양보다 많아 에너지가 남는다. 고위도 지역에서는 흡수하는 태양 복사 에너지양이 방출하는 지구 복사 에너지양보다 적어 에너지가 부족하다. 그러나 대기와 해수가 이동하면서 저위도 지역의 남는 에너지를 고위도 지역으로 운반하기 때문에 지구의 평균 기온이 거의 일정하게 유지된다.