이 실험 소개
대기가 없다면 지구는 약 -18 °C의 얼어붙은 구체였을 것입니다. 햇빛은 공기를 쉽게 통과해 땅을 데우지만, 따뜻해진 땅은 적외선을 방출합니다. 수증기와 이산화탄소 같은 기체는 그중 상당량을 흡수해 일부를 다시 아래로 보냅니다. 이 온실 효과 덕분에 지표면 평균 온도는 약 15 °C로 유지됩니다. 에너지 흐름을 따라가고, 이산화탄소를 추가하고, 반사되는 햇빛의 양을 바꾸면서 지표면이 새로운 균형을 향해 따뜻해지는 모습을 살펴보세요.
학습 목표
- 태양, 대기, 지표면 사이의 태양 복사와 적외선 복사 흐름을 설명하세요
- 온실가스가 에너지를 만들어 내지 않고도 지표면을 따뜻하게 하는 원리를 설명하세요
- 복사 평형이 무엇인지, 그리고 행성이 방출하는 복사 에너지와 흡수한 햇빛이 같아질 때까지 따뜻해지는 이유를 설명하세요
- 알베도와 수증기 피드백의 역할을 설명하세요
- 이산화탄소 농도가 두 배가 될 때 예상되는 온난화를 해석하세요
사용 방법
- 1대기를 끄세요. 지표면 온도는 얼마인가요? 대기를 다시 켜세요. 대기가 있으면 지구는 얼마나 더 따뜻해지나요?
- 2평형 상태의 화살표를 살펴보세요. 지표면에 도달하는 에너지와 지표면에서 나가는 에너지가 같은지 확인하세요.
- 3‘두 배(560 ppm)’를 선택하세요. 지표면은 얼마나 더 따뜻해지며, 얼마나 걸리나요?
- 4수증기 피드백을 끄고 같은 과정을 반복하세요. 온난화 중 피드백으로 인한 부분은 얼마나 되나요?
- 5지구의 더 많은 부분이 얼음이나 구름으로 덮인 것처럼 알베도를 0.4로 높이세요. 어떤 일이 일어나나요?
- 6이산화탄소 농도를 오늘날 수준으로 설정하세요. 1850년경 이후 관측된 1.2 °C의 온난화와 비교해 보세요.
모델
가정
- 하나의 대기층이 지표에서 방출되는 적외선의 일부인 ε를 흡수하고, 자체 온도에서 같은 비율의 적외선을 위아래로 방출합니다. 햇빛은 그대로 통과시킵니다.
- 산업화 이전의 CO₂ 농도에서는 이 층이 적외선의 77.9 %를 흡수하여 기온이 15 °C가 됩니다. CO₂는 이 비율을 바꾸어 표준 복사 강제력을 만들어 냅니다.
- 수증기 피드백은 기온이 1 켈빈 상승할 때마다 적외선 흡수를 1 % 더 늘립니다. 그 결과 CO₂가 두 배가 되면 약 3 °C의 온난화가 발생하며, 이는 기후과학의 중심 추정치에 가깝습니다. 구름과 얼음은 알베도 슬라이더로만 표현됩니다.
- 열용량은 깊이가 약 100 m인 해양에 해당합니다. 온난화를 수 세기 동안 지연시키는 심해는 제외되어 있습니다.
수업에서 해 보기
- Q1스테판-볼츠만 법칙을 사용하여 대기가 없는 지구의 온도가 약 255 K임을 보여 주세요.
- Q2온실가스는 왜 지표를 따뜻하게 하면서 상층 대기는 냉각할까요?
- Q3수증기 피드백이 이산화탄소로 인한 온난화를 증폭하는 이유를 설명하세요.
- Q4이산화탄소 증가가 멈춘 뒤에도 기온이 몇 년 동안 계속 상승하는 이유는 무엇인가요?
- Q5해빙이 녹으면 알베도가 낮아집니다. 이는 양의 되먹임인가요, 음의 되먹임인가요? 설명해 주세요.
자주 묻는 질문
온실효과는 에너지 보존 법칙을 깨뜨리나요?
아니요. 지표면은 햇빛과 대기에서 내려오는 복사 에너지를 모두 받으므로, 이 에너지를 모두 다시 내보내려면 더 따뜻해져야 합니다. 대기권 꼭대기에서 지구가 내보내는 에너지양은 흡수하는 양과 여전히 정확히 같습니다.
이산화탄소의 효과가 로그 함수 형태인 이유는 무엇인가요?
주요 CO₂ 흡수대의 중심부는 이미 거의 불투명하므로, 기체를 더 추가해도 주로 흡수대 가장자리만 넓어집니다. 농도가 두 배가 될 때마다 약 3.7 W/m²의 거의 동일한 복사 강제력이 더해집니다.
단일층 모형은 얼마나 현실적인가요?
자연적인 온실효과의 크기와 CO₂ 농도가 두 배가 되었을 때의 온난화를 대체로 정확하게 보여 주므로 교육용 모형으로 적합합니다. 실제 기후 모형은 여러 층과 구름, 해양, 얼음을 반영하며, CO₂ 농도가 두 배가 될 때의 온난화가 2.5~4 °C일 가능성이 높다고 봅니다.