지구의 에너지 수지

3. 에너지 수지 분석

지구의 에너지 수지는 "기후 시스템과 관련된 주요 에너지 흐름"을 포함하며, "대기 최상부 에너지 수지, 지표면 에너지 수지, 지구 에너지 재고의 변화, 그리고 기후 시스템 내의 내부 에너지 흐름"을 포함한다.^[2] 지구는 태양 복사를 통해 받는 에너지와 거의 같은 양의 에너지를 대기 및 지표 복사를 통해 우주로 방출하기 때문에 비교적 일정한 온도를 유지한다.

지구 대기 상단(TOA)에서 초당 받는 총 에너지량은 태양 상수에 지구의 복사 단면적을 곱한 값으로 주어지며, 전 지구적이고 연간 평균 TOA 플럭스는 태양 상수의 1/4인 대략 340 제곱미터당 와트(W/m²)이다.

지구가 받는 약 340 W/m²의 태양 복사 에너지 중, 평균 약 77 W/m²는 구름과 대기에 의해 우주로 반사되고, 약 23 W/m²는 지표면 알베도에 의해 반사된다. 약 240 W/m²의 태양 에너지가 지구의 에너지 수지에 투입되는데, 이 양을 흡수된 태양 복사 에너지(ASR)라고 한다. 이는 지구의 평균 순 알베도, 즉 본드 알베도(A)의 값이 약 0.3임을 의미한다.

:$ASR\; =\; (1-A)\; \backslash times\; 340~\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\}\; \backslash simeq\; 240~\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\}.$

열 에너지는 ''방출 장파 복사''(OLR) 형태로 지구를 떠나며, 지구 표면과 대기에서 방출되는 전자기 열 복사이다. OLR은 적외선 주파수 대역에 있다. 일반적으로 흡수된 태양 에너지는 다양한 형태의 열 에너지로 변환된다.

1층 모델은 표면(T_s=288 켈빈)과 대류권 중앙(''T''_a=242 K)에서 관찰된 평균값에 가까운 온도를 생성하는 OLR에 대한 근사 설명을 제공한다.^[3]

:$OLR\; \backslash simeq\; \backslash epsilon\; \backslash sigma\; T\_\backslash text\{a\}^4\; +\; (1-\backslash epsilon)\; \backslash sigma\; T\_\backslash text\{s\}^4.$

이 식에서 ''σ''는 슈테판-볼츠만 상수이고 ''ε''는 방사율을 나타내며, 대기가 대기 창으로 알려진 파장 범위 내에서 방출하지 않기 때문에 1보다 작다. 에어로졸, 구름, 수증기 및 미량의 온실 가스는 약 0.78의 유효 값에 기여한다.

지구 주변의 우주에서 볼 때, 온실 가스는 행성의 대기 방사율(''ε'')에 영향을 미친다. 따라서 대기 구성의 변화는 전체 복사 균형을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 증가하는 온실 가스 농도에 의한 열 포집 증가는 OLR의 감소와 온난화(회복) 에너지 불균형을 유발한다.^[4]

지구 에너지 변화의 주요 원인은 인간이 유발한 대기 구성 변화이며, 이는 약 460 TW 또는 전 세계적으로 에 달한다.^[26]

3. 1. 내부 흐름 분석

• 지구에 쏟아지는 에너지의 30%는 반사된다.
• 6%는 대기에 의해 반사된다.
• 20%는 구름에 의해 반사된다.
• 4%는 지구 표면 (지면, 수면, 빙상 등)에 의해 반사된다.
• 나머지 70%는 모두 흡수된다.
• 51%는 지구 표면에 흡수된다.
• 16%는 대기에 흡수된다.
• 3%는 구름에 흡수된다.
• 흡수된 70%는 이윽고 재방사된다.
• 대기나 구름에 흡수된 19%는 그대로 재방사된다.
• 15%는 지구 표면에서 대기로 방사되어, 이윽고 우주로 방사된다.
• 7%는 대기의 이동에 따라 지구 표면에서 대기로 옮겨져, 이윽고 우주로 방사된다.
• 23%는 물의 증발에 의해 잠열로서 지구 표면에서 대기나 구름으로 옮겨져, 이윽고 우주로 방사된다.
• 6%는 지구 표면에서 방사된다.

3. 2. 열 저장소

3. 3. 가열/냉각 속도 분석

4. 지구 에너지 불균형 (EEI)

지구 에너지 불균형(EEI)은 지구가 흡수하는 태양 에너지와 우주로 방출하는 에너지 사이의 차이를 의미한다. 이 불균형은 주로 인간 활동으로 인한 대기 구성 변화 때문에 발생한다.^[26]

간단히 말해, 지구 에너지 수지는 들어오는 에너지와 나가는 에너지가 같을 때 균형을 이룬다. 흡수된 태양 복사(단파)는 방출되는 장파 복사와 같아야 한다.

: $ASR\; =\; OLR.$

지구의 입사 에너지 플럭스(ASR)가 출사 에너지 플럭스(OLR)보다 크면 지구는 순 열에너지를 얻어 따뜻해지고, 반대의 경우에는 차가워진다.

: $EEI\; \backslash equiv\; ASR\; -\; OLR$.

따라서 양의 EEI는 지구 온난화를 의미하며, 일반적으로 제곱 미터당 와트(W/m²)로 표현된다. 2005년부터 2019년까지 지구 에너지 불균형은 평균 약 460 TW, 즉 전 세계적으로 m²당 0.90 ± 0.15 W였다.^[26]

EEI의 변화는 대기 조성 변화, 특히 이산화탄소와 같은 온실 가스 증가와 대기 에어로졸에 의한 영향이 크다.^[26] 온실 가스는 지구 온난화를 유발하는 반면, 일부 에어로졸은 냉각 효과를 낼 수 있다.

1970년 이후 지구 온난화로 인해 지구에 축적된 추가 에너지의 90% 이상이 해양에 저장되었다.^[7] 2020년 기준으로 지구 에너지 불균형은 거의 500TW (1W/m²)에 도달했으며, 이는 인간의 1차 에너지 소비량보다 최소 20배나 많은 양이다.^[5]

지구 내부에서 발생하는 지열류는 약 47TW로 추정되며, 이는 지구 표면 총 에너지 수지의 0.027%에 불과하다. 인간의 에너지 생산량은 평균 18TW로 더욱 낮지만,^[10] 화석 연료 사용으로 인한 온실 가스 증가는 지구 에너지 불균형을 심화시킨다.^[5] 광합성은 약 140TW의 에너지를 포착하여 식물 생장에 기여한다.

4. 1. 에너지 재고 평가

EEI의 절대적인 크기에 대한 추정치는 최근 수십 년 동안 측정된 온도 변화를 사용하여 계산되었다. 2006년부터 2020년까지의 기간 동안 EEI는 약 0.76 ± 0.2 W/m²였으며, 1971년부터 2020년까지의 기간 동안의 평균 0.48 ± 0.1 W/m²보다 유의미하게 증가했다.

EEI가 긍정적인 이유는 50년 이상 거의 모든 지역에서 온도가 상승했기 때문이다. 지구 표면 온도(GST)는 해수 표면에서 측정된 온도와 육지에서 측정된 기온을 평균하여 계산한다. 최소 1880년까지 신뢰할 수 있는 데이터에 따르면 GST는 1970년경부터 10년마다 약 0.18°C씩 꾸준히 증가했다.^[17]

해수는 특히 효과적인 태양 에너지 흡수체이며 대기보다 훨씬 큰 총 열용량을 가지고 있다.^[18] 1960년 이래로 전 세계 해수면 온도를 깊이 측정해 왔으며, 2000년 이후 거의 4000개의 아르고 로봇 부표의 확장된 네트워크가 해양 열 함량 변화(ΔOHC)를 측정했다. 최소 1990년 이후 OHC는 꾸준하거나 가속화된 속도로 증가했다. ΔOHC는 해양에서 지금까지 시간(Δt)이 지남에 따라 시스템에 유입되는 순 과잉 에너지의 90% 이상을 흡수했기 때문에 EEI의 가장 큰 부분을 나타낸다.

지구의 외각 지각과 두꺼운 얼음으로 덮인 지역은 과도한 에너지를 상대적으로 적게 흡수했다. 이는 표면의 과도한 열이 열전도를 통해서만 내부로 흐르기 때문에 일일 주기에는 수십 센티미터, 연간 주기에는 수십 미터만 침투하기 때문이다.^[19]

4. 2. 대기 상단(TOA)에서의 측정

4. 3. 측지학 및 수문 조사

4. 4. 기후 변화 지표로서의 중요성

5. 에너지 수지와 지구 기후

지구의 에너지 수지는 지구 기후 시스템과 관련된 주요 에너지 흐름을 포함한다.^[2] 이는 대기 최상부 에너지 수지, 지표면 에너지 수지, 지구 에너지 재고의 변화, 그리고 기후 시스템 내의 내부 에너지 흐름을 포함한다.^[2] 지구는 태양 복사를 통해 받는 에너지와 거의 같은 양의 에너지를 대기 및 지표 복사를 통해 우주로 방출하기 때문에, 전체적으로 순 에너지 이득이나 손실이 거의 없어 비교적 일정한 온도를 유지한다.

지구 대기 상단(TOA)에서 초당 받는 총 에너지량은 태양 상수에 지구의 복사 단면적을 곱한 값으로 주어지며, 와트로 측정된다. 지구는 구형이므로, 전 지구적이고 연간 평균 TOA 플럭스는 태양 상수의 1/4인, 대략 340 제곱미터당 와트(W/m²)이다.

지구가 받는 약 340 W/m²의 태양 복사 에너지 중, 평균 약 77 W/m²는 구름과 대기에 의해, 약 23 W/m²는 지표면 알베도에 의해 우주로 반사된다. 나머지 약 240 W/m²의 태양 에너지가 지구의 에너지 수지에 투입되며, 이를 흡수된 태양 복사 에너지(ASR)라고 한다. 이는 지구의 평균 순 알베도, 즉 본드 알베도(A)의 값이 약 0.3임을 의미한다.

: $ASR\; =\; (1-A)\; \backslash times\; 340~\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\}\; \backslash simeq\; 240~\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\}.$

열 에너지는 ''방출 장파 복사''(OLR)의 형태로 지구를 떠난다. 일반적으로 흡수된 태양 에너지는 다양한 형태의 열 에너지로 변환된다. 흡수된 태양 에너지의 일부는 "대기 창"에서 파장의 열 복사로 변환되어 대기를 방해받지 않고 우주로 탈출하여 OLR에 기여한다. 흡수된 태양 에너지의 나머지는 다양한 열 전달 메커니즘을 통해 대기를 통해 위쪽으로 이동하여 대기가 열 에너지로 방출할 때까지 다시 우주로 탈출하여 OLR에 기여한다.

1층 모델은 표면(T_s=288 켈빈)과 대류권 중앙(''T''_a=242 K)에서 관찰된 평균값에 가까운 온도를 생성하는 OLR에 대한 근사 설명을 생성한다.^[3]

: $OLR\; \backslash simeq\; \backslash epsilon\; \backslash sigma\; T\_\backslash text\{a\}^4\; +\; (1-\backslash epsilon)\; \backslash sigma\; T\_\backslash text\{s\}^4.$

이 표현식에서 ''σ''는 슈테판-볼츠만 상수이고 ''ε''는 방사율을 나타내며 대기가 대기 창으로 알려진 파장 범위 내에서 방출하지 않기 때문에 1보다 작다.

지구 주변의 우주에서 볼 때, 온실 가스는 행성의 대기 방사율(''ε'')에 영향을 미친다. 따라서 대기 구성의 변화는 전체 복사 균형을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 증가하는 온실 가스 농도에 의한 열 포집 증가는 OLR의 감소와 온난화(회복) 에너지 불균형을 유발한다.^[4]

간단히 말해, 지구의 에너지 수지는 들어오는 흐름과 나가는 흐름이 같을 때 균형을 이룬다. 흡수된 입사 태양(단파) 복사는 방출되는 장파 복사와 같다.

: $ASR\; =\; OLR.$

지구 에너지 불균형(EEI)은 "기후 시스템의 온실 가스 강제력과 관련된 지속적이고 양(하향)의 대기 상부 에너지 플럭스"로 정의된다.^[2] 지구의 입사 에너지 플럭스(ASR)가 출사 에너지 플럭스(OLR)보다 크거나 작으면, 행성은 에너지 보존 법칙에 따라 순 열에너지를 얻거나 (따뜻해지거나) 잃게(차가워지거나) 된다.

: $EEI\; \backslash equiv\; ASR\; -\; OLR$.

따라서 양의 EEI는 전체적인 행성 가열률을 정의하며 일반적으로 제곱 미터당 와트(W/m²)로 표현된다.

지구 전체의 알베도(반사율) 평균은 약 0.3이다. 즉, 지구에 쏟아지는 태양 에너지의 30%가 우주를 향해 반사되고, 나머지 70%는 지구에 흡수된다. 다만, 흡수된 70% 전부가 그 후 적외선(장파)으로 다시 방사되는 것은 아니다.

대기가 "얻는 에너지"가 "잃는 에너지"를 웃돌면 열로 바뀌는 에너지양이 상대적으로 증가하여 지표 부근의 기온이나 해수면 온도 상승을 유발한다. 반대로 "얻는 에너지"가 "잃는 에너지"를 밑돌면 열로 바뀌는 에너지양이 상대적으로 줄어들어 온도가 저하된다. 이러한 수지 균형의 붕괴는 "복사 강제력"으로 정의된다.

긴 지구의 역사에서 "얻는 에너지" 변화의 가장 큰 원인은 태양 활동의 변화이다. 과거에는 태양 활동의 대규모 변화가 기후 변화를 일으켰다.

"잃는 에너지" 변화를 일으키는 것은 알베도의 변화이다. 얼음은 알베도가 크기 때문에 빙상 면적이 넓어지면 반사하는 에너지가 늘어난다. 지구의 에너지 수지 균형은 불안정 해를 갖는다. 즉, 평균 기온이 일정 수준 이하로 내려가면 빙상이 확대되어 잃는(반사하는) 에너지가 증대되고, 기온이 더 내려가 빙상 확대로 이어지는 정 피드백이 발생한다. 전 지구 동결 가설은 전 지구를 빙상이 덮을 때까지 기온이 계속 내려간다고 설명한다. 반대로 평균 기온이 일정 수준 이상으로 올라가면 빙상 감소 → 반사 에너지 감소 → 기온 상승 → 빙상 감소로 이어지는 기온 상승 증폭이 발생한다.

온실 효과는 온실 기체가 열로 변하기 쉬운 적외선 등의 전자기파를 흡수하여 대기나 지구 표면이 얻은 에너지를 환경에 더 오래 머무르게 하여, 평형 상태에서 대기나 지구 표면의 평균 온도가 상승하는 현상이다. 온실 기체가 증가하면 일시적으로 복사량이 감소하고, 대기나 지구 표면의 온도가 상승하여 복사가 다시 증가함으로써 안정된다(복사 강제력 참조).

석유, 석탄, 목재 등 화석 연료 연소나 육지 토지 이용·해면 상태 변화(사막화, 해빙 면적 감소 등)와 같은 인위적인 원인도 에너지 수지 총량에 영향을 미친다.

참조

_[1] 간행물 Chapter 1: Framing and Context https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press
_[2] 간행물 Annex VII: Glossary https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press
_[3] 웹사이트 ACS Climate Science Toolkit – Atmospheric Warming – A Single-Layer Atmosphere Model https://www.acs.org/[...] American Chemical Society 2022-09-30
_[4] 웹사이트 ACS Climate Science Toolkit - Radiative Forcing - How Atmospheric Warming Works https://www.acs.org/[...] American Chemical Society 2022-09-30
_[5] 웹사이트 Oceans break heat record for third year in a row https://www.scientif[...] Scientific American 2022-01-12
_[6] 웹사이트 Earth's Big Heat Bucket https://earthobserva[...] NASA Earth Observatory 2006-04-24
_[7] 웹사이트 Vital Signs of the Plant: Ocean Heat Content https://climate.nasa[...] NASA 2021-11-15
_[8] 웹사이트 Air-Sea interaction: Teacher's guide https://www.ametsoc.[...] American Meteorological Society 2021-11-15
_[9] 웹사이트 Ocean Motion : Definition : Wind Driven Surface Currents - Upwelling and Downwelling http://oceanmotion.o[...] 2021-11-15
_[10] 저널 Global Direct Primary Energy Consumption https://ourworldinda[...] Published online at OurWorldInData.org. 2020-02-09
_[11] 서적 Radiative Forcing of Climate Change: Expanding the Concept and Addressing Uncertainties The National Academic Press
_[12] 웹사이트 What Is the Sun's Role in Climate Change? https://climate.nasa[...] NASA 2019-09-06
_[13] 간행물 Technical Summary https://www.ipcc.ch/[...] Cambridge University Press
_[14] 웹사이트 Clouds and Global Warming https://earthobserva[...] NASA Earth Observatory 2010-06-10
_[15] 저널 Indicators of Global Climate Change 2023: annual update of key indicators of the state of the climate system and human influence
_[16] 웹사이트 Deep Argo Mission https://argo.ucsd.ed[...] Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego 2023-11-26
_[17] 웹사이트 Global Annual Mean Surface Air Temperature Change https://data.giss.na[...] NASA 2020-02-23
_[18] 웹사이트 Climate Change: Ocean Heat Content https://www.climate.[...] NOAA 2020-08-17
_[19] 문서 "Fundamentals of geophysics" CUP
_[20] 웹사이트 Earth Matters: Earth's Radiation Budget is Out of Balance https://earthobserva[...] NASA Earth Observatory 2021-06-22
_[21] 웹사이트 UMBC's Ryan Kramer confirms human-caused climate change with direct evidence for first time https://news.umbc.ed[...] University of Maryland, Baltimore County 2021-04-12
_[22] 웹사이트 Direct observations confirm that humans are throwing Earth's energy budget off balance https://phys.org/new[...] 2021-03-26
_[23] 저널 Global sea-level budget 1993–present
_[24] 저널 Monitoring the ocean heat content change and the Earth energy imbalance from space altimetry and space gravimetry
_[25] 저널 Earth's Energy Imbalance From the Ocean Perspective (2005–2019) 2021-08-28
_[26] 저널 A perspective on climate change from Earth's energy imbalance 2022-09-01
_[27] 웹사이트 NOAA's Annual Greenhouse Gas Index (An Introduction) https://gml.noaa.gov[...] NOAA 2021-08-04