【지구과학】 8강. 지구의 에너지

8강. 지구의 에너지

 

추천글 : 【지구과학】 지구과학 목차

---

1. 태양복사 에너지 [본문]

2. 태양복사와 지구복사 [본문]

3. 지구의 열수지 [본문]

4. 지구 내부의 에너지 [본문]

---

 

1. 태양복사 에너지 [목차]

⑴ 빛과 에너지

① 전자기파 

○ 공간의 전지장과 자기장이 진동하여 전파되는 파동

○ γ선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 등을 포함

○ 진공 내에서 3 × 10⁸ m/s의 속도를 가짐

② 복사에너지 

○ 전자기파에 의해 전파되는 에너지

○ 물질에 흡수되어 열에너지로 벼함

⑵ 일사량

① 태양상수 : 지구대기의 상한에서 태양광선에 수직인 면 1 ㎠에 1분 동안에 입사하는 에너지, 보통 2 cal / ㎠·min

② 지구가 받는 태양복사 에너지 : 지구에는 πR²I만큼의 태양복사 에너지가 입사하므로 전지구표면에 고르게 분배된다면 단위면적의 지표면에 입사하는 태양복사 에너지량은

 

 

○ 단, I는 태양상수로 2.0 cal / ㎠·min

 

 

2. 태양복사와 지구복사 [목차]

⑴ (참고) 흑체복사(black body radiation) 

① 정의 : 에너지를 가진 모든 물체가 빛을 발하는 현상 

② 흑체(blackbody) : 입사된 에너지를 모두 흡수하고, 흡수한 모든 에너지를 완전히 방출하는 물체

③ 파동의 상태수 개수(number of modes)

○ 현에서의 정상파를 기준으로 함

○ 1차원 정상파 : 현의 길이가 L일 때, 파동의 상태수 n (단, n은 자연수)에 따라 다양한 진동수의 정상파가 존재함

 

 

○ 3차원 정상파 : 파동의 상태수 벡터 (l, m, n)에 따라 다양한 진동수의 파동(이 경우, 빛)이 존재함 

 

 

○ 상태수 벡터를 직교좌표계에 대응시킬 수 있음 : l, m, n이 양의 정수이기 때문에 1/8구(octant)를 고려함

○ 파동의 상태수 개수 : 원점으로부터의 거리를 p, 반지름이 p인 1/8 구 내 격자점의 개수를 N*(p)라 할 때,

 

 

○ 상태수 개수(N*)와 진동수(ν)의 관계

 

 

○ 위 식은 같은 상태수여도 위상이 반대인 2개의 파동이 있을 수 있다는 것을 고려하지 않음

○ 결론 : 공간의 부피 V = L³, 단위 부피당 상태수 개수 N = N* / V에 대하여,

 

 

④ 레일리-진스 법칙(Rayleigh-Jeans law)

○ 개요 : 흑체복사를 파동성으로 분석하려고 하면 UV 파탄이 관찰돼야 함

○ 열역학에서 계의 평균 진동 에너지 : 각 방향에 대한 병진, 회전과 달리 진동 그 자체로 자유도 2를 할당함

 

 

○ 진동수 ν에서 단위 부피당 평균 방사 에너지 

 

 

○ UV 파탄(UV catastrophy) : 흑체가 파장이 0 근처의 빛을 무한대 가깝게 발산하는 것

 

 

○ 실제로는 파장이 0 근처의 빛은 세기가 0으로 수렴

⑤ 플랑크 법칙(Planck's law)

○ 막스 플랑크(Max Planck)가 입자성을 도입하고 E = hν를 가정하여 성공적으로 설명 (1900년) 

○ 광자 한 개의 에너지

 

 

○ 진동수가 ν인 광자가 n개 있을 확률 : 특정 에너지의 입자의 확률이 지수함수라는 맥스웰-볼츠만 분포에서 착안

 

 

○ 계의 평균 에너지

 

 

○ 진동수 ν에서 단위 부피당 평균 방사 에너지

 

 

○ 플랑크 곡선 : 흑체에서 방출하는 복사에너지의 파장에 따른 분포. 흑체의 복사에너지 분포는 온도에만 관계함

 

출처 : 2011 MEET 42번

Figure. 1. 플랑크 곡선

 

○ 계의 단위 부피당 전체 에너지

 

 

○ 광자의 플럭스 

 

 

⑥ 스테판-볼츠만 법칙 : 흑체가 단위면적당 단위시간에 방출되는 에너지는 흑체의 절대온도 T(K)의 네제곱에 비례 

 

 

○ 실제 물체의 경우 위 식에서 반사율 ε을 곱해주기도 함 

○ 단, σ : 볼츠만 상수, 8.22 × 10-11  

⑦ 빈의 변위 법칙(Wien's displacement law) : 최대 복사 에너지를 내는 파장 λmax (㎛)은 흑체의 절대온도 T(K)에 반비례

 

 

○ 단, α : 빈의 상수, 2.89 × 103 

⑧ 파울리 배타원리 

○ 정의 : 한 궤도 상에 모든 양자수가 동일한 전자가 둘 이상 존재할 수 없음

○ 플랑크 곡선이 연속적인 그래프로 나오는 이유

○ 많은 원자들이 모여 있으면 에너지 준위들이 겹치다가 약간씩 밀려나면서 에너지 준위가 연속적으로 나타남

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. 오비탈 중첩에 따른 에너지 준위의 갈라짐

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 3. 오비탈 중첩에 따른 에너지 밴드의 형성

 

⑵ 태양복사

① 태양복사 곡선은 5,800 K 흑체의 복사에너지 곡선과 유사

② 태양의 최대 복사에너지 파장 : 0.47 ㎛ - 가시광선 (단파복사)

③ 전체 태양복사 에너지의 95%는 0.25 ~ 2.5 ㎛의 파장범위에 분포

○ 가시광선 : 파장 0.4 ~ 0.7 ㎛, 태양복사 에너지의 약 45 %

○ 자외선 : 파장 0.15 ~ 0.4 ㎛, 태양복사 에너지의 약 9 %

○ 적외선 : 파장 0.7 ~ 4.0 ㎛, 태양복사 에너지의 약 46 %

④ 태양복사의 산란

○ 분류 1. 탄성 산란 : 산란 시 에너지 변화가 없는 경우. 입사 파장과 산란 파장이 같음

○ 레일리 산란(Rayleigh scattering) 

○ 파장이 입자의 크기보다 훨씬 큰 경우

○ 파장이 짧을 수록 산란이 강해짐

○ 하늘이 푸른 빛으로 보이는 이유

○ 미 산란(Mie scattering) : 파장이 입자 크기와 비슷한 경우

○ 분류 2. 비탄성 산란 : 산란 시 에너지 변화가 있는 경우. 입사 파장과 산란 파장이 다름

○ 라만 산란(Raman scattering)이라고도 함

○ 물질이 에너지를 얻는 경우를 Stokes 산란이라고 함

○ 물질이 에너지를 잃는 경우를 anti-Stokes 산란이라고 함

⑶ 지구복사

① 지표복사 + 대기복사 = 지구복사

② 지구 표면의 평균온도는 288 K (15 ℃)

③ 지구의 최대 복사에너지 파장 : 10 ㎛ - 적외선 영역(장파복사)

④ 전체 지구복사 에너지의 95 %는 2.5 ~ 25 ㎛ 파장범위에 분포

 

 

3. 지구의 열수지 [목차]

⑴ 대기에 의한 흡수

① X선, γ선 → 상층 대기의 원자가 흡수

○ 0.2 ㎛ 이하 자외선 : 산소, 질소 분자가 흡수 

○ 0.24 ~ 0.30 ㎛ 자외선 : 오존이 흡수

○ 5 ~ 10 ㎛ 적외선 : 수증기가 흡수

○ 10 ~ 20 ㎛ 적외선 : 이산화탄소가 흡수

○ 파장 20 cm 이상의 전파 → 전리층에서 흡수

② 대기를 통과하는 전자기파

○ 태양복사 에너지 

○ 0.3 ~ 1.2 ㎛ 가시광선 : 광학의 창

○ 1 mm ~ 20 m 가시광선 : 전파의 창

○ 지구복사 에너지

○ 8 ~ 13 ㎛의 적외선 : 적외선 창(대기의 창)

③ 온실효과

○ 온실기체 : 수증기, 이산화탄소, 메탄, 프레온 가스 등

○ 온실효과 : 지표면 근처 대기를 보온하는 효과

○ 원리 1. 온실기체는 태양의 단파복사를 대부분 흡수하지 않음

○ 원리 2. 온실기체는 지표의 장파복사를 대부분 흡수

 

Figure. 4. 지구의 에너지 순환

 

⑵ 지구의 열평형

① 지구의 복사평형 

○ 정의 : 지구의 기온이 일정하게 유지되는 상태

○ 이유 : 장기간에 걸쳐서 태양복사에너지의 입사량과 지구복사에너지의 방출량이 거의 평형을 이루기 때문

○ 열수지나 복사평형이라고도 함

② 알베도(반사도, 지구의 반사도, albedo)

○ 정의 : 태양복사 에너지 중 지표, 구름, 먼지에 의해 반사되거나 공기 입자에 의해 산란되어 우주로 되돌아가는 것

○ 반사율 : 빛이 물체에 수직으로 입사하는 경우 반사율은 입사각의 함수

 

 

○ 입사각이 60도 이하이면 입사광의 96%가 물체 속으로 전달

○ 지구는 평균 31%의 반사율을 가지며, 달은 12%의 값을 가짐

○ 사막 ＞ 삼림 ＞ 해양 순으로 알베도가 큼

③ 열에너지의 수지

○ 태양복사량 (100%)  = 지표흡수 (50%) + 대기흡수 (20%) + 지구반사 (30%)

○ 태양복사량 : 0.5 cal / ㎠·min

○ 지표흡수 : 0.25 cal / ㎠·min, 다시 우주 공간으로 방출

○ 대기흡수 : 0.1 cal / ㎠·min, 다시 우주 공간으로 방출

○ 지구반사 : 0.15 cal / ㎠·min

⑶ 위도에 따른 열수지와 열수송

① 위도에 따른 열수지

○ 저위도 : 입사량 > 방출량 → 에너지 과잉

○ 중위도 : 입사량 ≒ 방출량 → 에너지 평형

○ 고위도 : 입사량 < 방출량 → 에너지 부족

② 열수송 

○ 저위도의 해수순환 → 중위도

○ 중위도의 대기 대순환 → 고위도

○ 그 결과 위도별 복사평형 유지

 

 

4. 지구 내부의 에너지 [목차]

⑴ 지온상승률 : 3 ℃ / 100 m, 깊이 들어감에 따라 지온상승률은 작아짐

⑵ 방사성 원소 붕괴열

① 화강암 (대륙지각을 구성) ＞ 현무암 (해양지각을 구성) ＞ 감람암 (맨틀을 구성)

⑶ 지각열류량

① 단위 면적, 단위 시간에 지각 내부에서 지표로 방출되는 열에너지.

○ 방사선 원소 붕괴열과 화산활동에 영향을 받음

○ 전 세계의 평균값 : 1.5 HFU = 1.5 × 10^-6 cal / ㎠·s

② 대륙의 지각열류량 : 주로 화강암 중의 방사선 동위원소의 붕괴열

③ 해양의 지각열류량 : 주로 지구 내부에서 전달되어 나오는 열

○ 해령 ＞ 해양저 ＞ 해구  

○ 해령, 열점, 호상열도 등의 조산대와 화산대는 지각열류량이 높게 나타남

○ 해구, 순상지 등의 안정 지대의 경우  지각열류량이 작게 나타남

 

입력 : 2016.06.22 20:54

수정 : 2022.09.12 19:34