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반사율

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목차

1. 개요

반사율은 표면이 입사광을 반사하는 정도를 나타내는 척도이다. 반사율은 태양 천정각, 방향-반구 반사율, 이중 반구 반사율 등을 고려하여 계산하며, 기하학적 반사율과 본드 반사율 등 다양한 종류가 있다. 반사율은 천문학에서 행성 및 위성의 표면 성분을 분석하는 데 활용되며, 지구의 기후 및 에너지 균형에도 영향을 미친다. 또한, 태양광 발전 시스템의 효율에도 영향을 미칠 수 있으며, 인간의 활동에 의해서도 변화할 수 있다.

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반사율

2. 반사율의 정의 및 종류

지표면의 경우, 특정 태양 천정각 ''θ''''i''에서의 반사율은 두 항의 비례 합으로 근사할 수 있다.[80]


  • 해당 태양 천정각에서의 방향-반구 반사율(때로는 흑천 반사율이라고 함)
  • 이중 반구 반사율(때로는 백천 반사율이라고 함)


직접 방사의 비율이 (1 - D)이고 확산 조명의 비율이 D일 때, 실제 반사율(청천 반사율)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[80]

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이 공식은 표면의 고유 특성을 알면 어떤 조명 조건에서든 반사율을 계산할 수 있게 해주므로 중요하다.[80]

알베도는 전자기파의 대역에 대해 스펙트럼 밀도를 적분한다. 따라서 알베도는 천체의 반사 스펙트럼뿐만 아니라, 입사광의 스펙트럼에도 의존한다. 예를 들어, 붉은색을 강하게 반사하는 화성과 같은 반사 스펙트럼을 가진 행성이 적색왜성 주위를 공전한다면, 그 알베도는 화성보다 높다.

대역으로는, 본드 반사도는 일반적으로 (전 에너지의 비교라는 성질상) 전자기파의 전 대역을 고려하지만, 기하 알베도의 경우는 일반적으로 (실제 관측에 기초하기 때문에) 가시광선의 범위에서 고려하며, 엄밀하게는 가시 알베도(가시 기하 알베도)라고 부른다. 이 외에 필요에 따라 적외선 알베도, 자외선 알베도 등도 사용된다.

알베도는 전자기파의 파장마다도 정의할 수 있다. 인공위성에 의한 원격 탐사에서는 지표면 알베도를 파장의 함수로 정의할 필요가 있다.

2. 1. 기하학적 반사율 (Geometric Albedo)

행성, 위성, 소행성과 같은 소천체의 반사도는 그 특성을 추론하는 데 사용될 수 있다.[56] 반사도, 파장 의존성, 조명 각도("위상각"), 시간 변화에 대한 연구는 천문학 분야인 광도측정의 주요 부분을 구성한다.[56] 망원경으로 해상도를 구분할 수 없는 작고 먼 천체의 경우, 우리가 알고 있는 대부분의 정보는 반사도 연구에서 나온다.[56] 예를 들어, 절대 반사도는 외태양계 천체의 표면 얼음 함량을 나타낼 수 있으며, 위상각에 따른 반사도의 변화는 레골리스 특성에 대한 정보를 제공하는 반면, 특이하게 높은 레이더 반사도는 소행성의 높은 금속 함량을 나타낸다.[56]

토성의 위성인 엔셀라두스는 태양계의 어떤 천체보다도 가장 높은 광학 반사도 중 하나를 가지고 있으며, 반사도는 0.99이다.[56] 또 다른 주목할 만한 고반사도 천체는 에리스이며, 반사도는 0.96이다.[57] 외태양계의 많은 작은 천체[58]와 소행성대는 약 0.05까지 낮은 반사도를 갖는다.[59] 전형적인 혜성 핵은 0.04의 반사도를 갖는다.[60] 이러한 어두운 표면은 원시적이고 우주 풍화를 심하게 받은 표면으로, 일부 유기 화합물을 포함하는 것으로 생각된다.[60]

달의 전반적인 반사도는 약 0.14로 측정되지만,[61] 강한 방향성과 비람베르트 반사를 보이며, 강한 반대 효과도 나타낸다.[76] 이러한 반사 특성은 지구상의 어떤 지형과도 다르지만, 무대기 태양계 천체의 레골리스 표면의 전형적인 특징이다.[76]

천문학에서 사용되는 두 가지 일반적인 광학 반사도는 (V 대역) 기하학적 반사도(관측자 바로 뒤에서 조명이 들어올 때의 밝기를 측정)와 본드 반사도(반사되는 전자기 에너지의 총 비율을 측정)이다.[56] 그 값은 상당히 다를 수 있으며, 이는 혼란의 일반적인 원인이 된다.[56]

기하학적 반사율은 위상각 0°(입사광 방향으로 반사하는)로의 반사광의 강도를, 천체 표면이 완전한 람베르트면이라고 가정한 경우와 비교한다.[56] 람베르트면은 그 성질상 광원에 수직이든 비스듬하든, 평면이든 곡면이든 반사광의 강도는 같다.[56] 위상각 0°로의 반사광만을 문제로 하고 있기 때문에, 충(衝)에 관측하면 천체의 크기(보다 엄밀하게는 시선 방향으로의 단면적)만을 가정하면 계산할 수 있다.[56] 거울면 반사가 강하면 기하학적 반사율은 보통 반사율보다 높아지고 1을 초과하는 경우도 있다.[56]

행성기하학적 반사도본드 반사도
수성0.142 [81]0.088 [82] 또는 0.068
금성0.689 [81]0.76 [83] 또는 0.77
지구0.434 [81]0.294 [61]
화성0.170 [81]0.250 [62]
목성0.538 [81]0.343±0.032 [63] 및 0.503±0.012 [84]
토성0.499 [81]0.342 [85]
천왕성0.488 [81]0.300 [86]
해왕성0.442 [81]0.290 [87]



상세한 연구에서 천체의 방향 반사 특성은 종종 5가지 합케 매개변수로 표현되는데, 이는 반사도의 위상각 변화를 반경험적으로 설명하며, 레골리스 표면의 반대 효과의 특징을 포함한다.[56] 이러한 5가지 매개변수 중 하나는 단일 산란 반사도라는 또 다른 유형의 반사도이다.[56] 이것은 작은 입자에 대한 전자기파의 산란을 정의하는 데 사용된다.[56]

천체의 (기하학적) 반사도, 절대 등급 및 지름 사이의 중요한 관계는 다음과 같이 주어진다.[64]

A =\left ( \frac{1329\times10^{-H/5}}{D} \right ) ^2,

여기서 A는 천문 반사도, D는 킬로미터 단위의 지름, H는 절대 등급이다.

2. 2. 본드 반사율 (Bond Albedo)

보통 반사율(Bond albedo)은 입사광 총량에 대한 반사광 총량의 비율이다. 입사각이나 반사각을 고려하지 않으며, 일반적으로 전자기파의 파장도 고려하지 않고 전 대역에 대해 스펙트럼 밀도를 적분한다. 따라서 입사 에너지에 대한 반사 에너지의 비율이라고 할 수 있다.

보통 반사율은 반드시 1 이하이며, 거울면 반사든 확산 반사든 입사광을 모두 반사하면 1이 된다. 보통 반사율을 계산하려면 천체의 크기뿐만 아니라 천체 표면의 광학적 성질에 대한 정보나 가정이 필요하다. 반사광 중 관측자를 향하는 비율을 알 수 없기 때문이다.

"보통"은 이 개념을 제창한 천문학자 조지 필립스 본드(George Phillips Bond)의 이름에서 유래했다.

2. 3. 기타 반사율

지표면의 경우, 특정 태양 천정각 ''θ''''i''에서의 반사율은 두 항의 비례 합으로 근사할 수 있다.[80]

  • 해당 태양 천정각에서의 방향-반구 반사율(때로는 흑천 반사율이라고 함) {\bar \alpha(\theta_i)}
  • 이중 반구 반사율(때로는 백천 반사율이라고 함) \bar{ \bar \alpha}


{1-D}가 주어진 태양각에서 직접 방사의 비율이고, {D}가 확산 조명의 비율일 때, 실제 반사율 {\alpha}(청천 반사율)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[80]

:\alpha = (1 - D) \bar\alpha(\theta_i) + D \bar{\bar\alpha}.

이 공식은 표면의 고유 특성을 알면 어떤 조명 조건에서든 반사율을 계산할 수 있게 해주므로 중요하다.[80]

행성 레이더 천문학에서 마이크로파(또는 레이더) 펄스는 행성 표적(예: 달, 소행성 등)을 향해 전송되고 표적에서의 에코가 측정된다. 대부분의 경우, 전송된 펄스는 원형 편광되며 수신된 펄스는 전송된 펄스와 같은 편광 방향(SC)과 반대 방향(OC)으로 측정된다.[65][66] 에코 전력은 레이더 반사 단면적 {\sigma}_{OC}, {\sigma}_{SC}, 또는 {\sigma}_{T}(총 전력, SC + OC)으로 측정되며, 표적과 같은 거리에 있는 금속 구체(완벽한 반사체)의 단면적과 같다. 이 금속 구체는 같은 에코 전력을 반환한다.[65]

최초 표면 반사(매끄럽거나 거울과 같은 표면에서와 같이)에서 돌아오는 수신된 에코의 구성 요소는 반사 시 편광이 반전되기 때문에 OC 구성 요소가 주를 이룬다. 파장 척도에서 표면이 거칠거나 레골리스로의 상당한 침투가 있는 경우, 다중 산란에 의해 에코에 상당한 SC 구성 요소가 생길 것이다.[66]

태양계의 대부분의 천체의 경우, OC 에코가 주를 이루며 가장 일반적으로 보고되는 레이더 반사율 매개변수는 (정규화된) OC 레이더 반사율(종종 레이더 반사율)이다.[65]

\hat{\sigma}_\text{OC} = \frac{\pi r^2}

여기서 분모는 평균 반지름 r을 갖는 표적 천체의 유효 단면적이다. 매끄러운 금속 구체는 \hat{\sigma}_\text{OC} = 1을 가진다.

알베도는 전자기파의 대역에 대해 스펙트럼 밀도를 적분한다. 따라서 알베도는 천체의 반사 스펙트럼뿐만 아니라, 입사광의 스펙트럼에도 의존한다. 예를 들어, 붉은색을 강하게 반사하는 화성과 같은 반사 스펙트럼을 가진 행성이 적색왜성 주위를 공전한다면, 그 알베도는 화성보다 높다.

대역으로는, 본드 알베도는 일반적으로 (전 에너지의 비교라는 성질상) 전자기파의 전 대역을 고려하지만, 기하 알베도의 경우는 일반적으로 (실제 관측에 기초하기 때문에) 가시광선의 범위에서 고려하며, 엄밀하게는 가시 알베도(가시 기하 알베도)라고 부른다. 이 외에 필요에 따라 적외선 알베도, 자외선 알베도 등도 사용된다.

알베도는 전자기파의 파장마다도 정의할 수 있다. 인공위성에 의한 원격 탐사에서는 지표면 알베도를 파장의 함수로 정의할 필요가 있다. 지표면 반사율은 입사각의 함수로 정의되며, 산란각에 대해서는 적분한 양으로 나타낸다. 이에 비해, 확산 알베도는 입사각 및 산란각 모두에 대해 적분한 양이다.

3. 지구의 반사율

반사율신선한 아스팔트0.04[6]외해0.06[7]마모된 아스팔트0.12[6]침엽수림,
여름0.08,[8] 0.09~0.15[77]활엽수림0.15~0.18[77]맨땅0.17[9]푸른 잔디0.25[9]사막 모래0.40[10]새 콘크리트0.55[9]해빙0.50~0.70[9]신선한 눈0.80[9]알루미늄0.85[11][12]



가시광선에서의 반사율은 신선한 눈의 약 0.9에서 가장 어두운 물질 중 하나인 목탄의 약 0.04까지의 범위에 속한다. 깊은 그림자가 드리운 공동은 흑체의 0에 가까운 유효 반사율을 달성할 수 있다. 멀리서 볼 때, 해양 표면은 대부분의 숲과 마찬가지로 반사율이 낮지만, 사막 지역은 지형 중에서 가장 높은 반사율을 나타낸다. 대부분의 육지는 0.1~0.4의 반사율 범위에 있다.[13] 지구의 평균 반사율은 약 0.3이다.[71] 이는 주로 구름의 기여 때문에 해양보다 훨씬 높다.

지구 표면의 반사율은 지구 관측 위성 센서, 예를 들어 NASA의 테라와 아쿠아 위성에 탑재된 MODIS 장비 및 수오미 NPP와 JPSS의 CERES 장비를 통해 정기적으로 추정된다. 반사되는 복사량은 위성에 의해 단일 방향으로만 측정되므로 모든 방향이 아닌, 수학적 모델을 사용하여 위성 반사율 측정의 표본 집합을 방향-반구 반사율 및 양반구 반사율(예: [72]) 추정치로 변환한다. 이러한 계산은 주어진 표면의 반사율이 관찰자의 시야각과 태양각에 따라 달라지는 방식을 설명하는 양방향 반사율 분포 함수(BRDF)를 기반으로 한다. BRDF는 반사율 관측을 반사율로 변환하는 데 도움이 될 수 있다.

지구의 평균 지표면 온도는 반사율과 온실 효과 때문에 현재 약 15℃이다. 지구가 완전히 얼어붙는다면 (따라서 더 반사율이 높아진다면), 지구의 평균 온도는 -40℃ 이하로 떨어질 것이다.[73] 대륙 육지가 빙하로 덮이기만 해도 지구의 평균 온도는 약 0℃로 떨어질 것이다.[74] 반대로, 지구 전체가 물로 덮인다면 – 소위 해양 행성이라면 – 지구의 평균 온도는 거의 27℃까지 상승할 것이다.[75]

2021년, 과학자들은 현대 광도 측정 기술을 사용하여 지구광을 측정한 결과, 지구의 밝기가 20년(1998년~2017년) 동안 약 0.5% 감소했다고 보고했다. 이것은 기후 변화와 지구 온난화의 상당한 증가 모두에 의해 공동으로 발생했을 수 있다. 그러나 기후 변화와의 연관성은 아직 탐구되지 않았으며, 이것이 지속적인 추세를 나타내는지 여부는 불분명하다.[14][15]

다양한 지표면 조건에 따른 확산 반사된 태양광의 비율


반사율은 조명에 직접적으로 의존하지 않는다. 입사광의 양이 변하면 반사광의 양도 비례적으로 변하기 때문이다. 단, 조명의 변화가 해당 지역 지표면의 변화(예: 반사율이 높은 얼음의 용융)를 유발하는 경우는 예외이다. 그러나 반사율과 조명은 모두 위도에 따라 변한다. 반사율은 극지방 근처에서 가장 높고 아열대 지방에서 가장 낮으며, 열대 지방에서 국지적으로 최대값을 보입니다.[24]

반사율 온도 효과의 강도는 반사율의 양과 국지적인 일사량의 수준에 따라 달라진다. 북극과 남극 지역의 고반사율 지역은 일사량이 낮기 때문에 차갑지만, 상대적으로 높은 반사율을 가진 사하라 사막과 같은 지역은 일사량이 높기 때문에 더 더울 것이다. 열대 및 아열대 열대우림 지역은 반사율이 낮고, 일사량이 낮은 온대림 지역보다 훨씬 더 더운 편이다. 일사량이 반사율의 가열 및 냉각 효과에 매우 큰 역할을 하기 때문에 열대와 같이 일사량이 높은 지역에서는 국지적인 반사율이 변할 때 국지적인 온도 변화가 더 두드러지게 나타나는 경향이 있다.[25]

북극 지역은 특히 흡수하는 것보다 더 많은 열을 우주로 방출하여 지구를 효과적으로 냉각시킨다. 높은 기온으로 인해 북극의 얼음과 눈이 더 높은 비율로 녹고 있기 때문에, 북극 지역에서 현저하게 어두운(물이나 어두운 색의 지면) 지역이 생겨 우주로 반사되는 열이 줄어들면서 이것이 문제가 되고 있다. 이러한 되먹임 고리는 반사율 효과를 감소시킨다.[26]

지표면 반사율은 입사각의 함수로 정의되며, 산란각에 대해서는 적분한 양으로 나타낸다. 이에 비해, 확산 알베도는 입사각 및 산란각 모두에 대해 적분한 양이다.

3. 1. 주요 지표면의 반사율

미국 국립기후자료센터의 자료에 따르면, 페어뱅크 대학 기상관측소는 주변 소나무와 적설량의 영향으로 공항보다 높은 온도를 기록했다.[32] 열대 지방은 강한 자외선으로 인해 반사율 효과가 더 크며, 브라질 연구에서는 농경지 조성을 위한 벌목이 연평균 기온 상승을 유발했다고 보고되었다. 검은 옷이 흰 옷보다 열사병 위험이 높은 것도 반사율의 영향 중 하나이다.

눈의 반사율은 최대 0.9로 매우 높지만, 녹거나 더러워지면 0.4에서 0.2까지 감소한다.[32] 남극의 눈 반사율은 평균 0.8을 약간 넘는다. 눈이 녹으면 반사율이 낮아져 더 많은 복사열을 흡수하고, 이는 다시 눈을 더 많이 녹이는 양성 피드백을 유발한다.[34] 스위스에서는 빙하 보호를 위해 흰색 방수포를 사용하는데, 이는 태양 광선을 반사하고 열을 차단하여 빙하의 녹는 속도를 60% 줄이는 효과가 있다.[33] 해빙의 반사율은 해수보다 훨씬 높아 해빙이 녹으면 에너지 흡수율이 증가하는 또 다른 양성 피드백을 유발한다.[34] 크리오코나이트는 빙하나 빙상의 반사율을 감소시키기도 한다.[35]

숲은 일반적으로 반사율이 낮아 산림 조성이 탄소 격리 효과를 일부 상쇄할 수 있다.[40] 계절적 눈 덮개가 있는 상록수림의 경우 산림 벌채가 순 냉각 효과를 초래할 수도 있다.[78] 나무는 증산작용을 통해 기후에 복잡하게 영향을 미치는데, 과학자들은 일반적으로 증산작용을 순 냉각 효과로 간주한다.[41][42] 중위도에서 고위도 숲은 눈이 내리는 계절 동안 평평한 지면보다 반사율이 낮아 지구 온난화에 기여한다. 온대 지역에서 숲의 면적을 확장하는 것은 일시적인 완화 효과만 제공한다는 모델링 결과도 있다.[43][44][45][46]

계절적으로 눈이 덮인 지역에서 나무가 없는 지역의 겨울철 반사율은 숲 지역보다 10%~50% 높다. 낙엽수의 반사율은 0.15~0.18, 침엽수는 0.09~0.15이다.[77] 여름철 반사율 변화는 광합성 최대 속도와 관련이 있다.[47] 해들리 센터 연구에서는 열대 및 중위도 지역의 새로운 숲은 냉각 경향이, 고위도 지역의 새로운 숲은 중립적이거나 온난화 경향이 있음을 발견했다.[78] 2023년 연구에서는 산림 조성으로 인한 탄소 흡수량 증가는 반사율 감소로 이어져 초기에는 온난화를 유발할 수 있지만, 이후에는 상당한 냉각으로 전환될 것으로 예상했다.[48]

섬네일


물은 일반적인 지상 물질과 다르게 빛을 반사하며, 프레넬 방정식으로 계산된다. 작은 입사각에서는 물결침이 반사율을 감소시킨다.[79] 물의 반사율은 일반적으로 낮지만, 높은 입사각에서는 매우 높아진다. 파도의 하얀 파도는 거품으로 인해 반사율이 높아진다. 신선한 '검은' 얼음은 프레넬 반사를 보이며, 이 해빙 위의 눈은 반사율을 0.9까지 증가시킨다.[49]

활엽수의 평균 반사율은 14%이며, 풀이 무성한 지역은 20%, 불모지는 토양 색깔에 따라 5%에서 40%로 농장 평균은 15%이다. 사막이나 넓은 해변은 보통 25%이지만 모래 색깔에 따라 다르다.

3. 2. 반사율 변화 요인

에어로졸은 지구 복사 평형에 직간접적으로 영향을 미친다.[53] 직접 효과는 일반적으로 지구를 냉각시키지만, 간접 효과(입자가 구름 응결핵 역할을 하여 구름 특성을 변화시킴)는 불확실하다.[53] 유기탄소 입자는 냉각효과를, 블랙카본(원소탄소)은 온실효과를 유발하며, 구름 응결핵 역할을 하여 2차적으로 반사율 효과를 일으킨다. 블랙카본은 반사율에 의한 지구 기후 영향에 중요한 역할을 한다.[54] 기후변화에 관한 정부간 협의회(IPCC)에 따르면, 화석연료에서 발생되는 블랙카본에 의한 평균 복사강제력은 +0.2 W m-2로 추정되며, 이전 보고서의 +0.1 W m-2보다 증가된 값이다.[54] 검은탄소는 알베도에 미치는 영향으로 인해 이산화탄소보다 북극의 극지방 빙하 용융의 더 큰 원인이다.[55]

스페인 알메리아의 온실


인간 활동(예: 삼림 벌채, 농업 및 도시화)은 전 세계 여러 지역의 반사율을 변화시킨다.[16] 인간의 영향은 "지표면의 물리적 특성을 변화시켜 지구의 복사 에너지 균형을 바꿈으로써 기후를 교란할 수 있다."[17] 도시화는 일반적으로 반사율을 감소시켜 지구 온난화에 기여한다. 도시 지역의 반사율을 의도적으로 증가시키면 도시 열섬 효과를 완화할 수 있다.[18] 2022년 추정에 따르면, 전 세계적으로 "전 세계 도시 지역의 반사율이 0.1 증가하면 약 ~44Gt의 CO₂ 배출량을 흡수하는 것과 같은 냉각 효과가 나타난다."[18]

스페인 알메리아의 수만 헥타르에 달하는 온실은 넓은 흰색 플라스틱 지붕으로 이루어져 있다. 2008년 연구에 따르면 이러한 인위적인 변화는 고반사율 지역의 국지적 지표면 온도를 낮추었지만, 변화는 국지적이었다.[17]

지구 표면의 반사율과 주간 열 방출량을 의도적으로 향상시키는 것은 태양 복사 관리 전략으로 제안되어 왔으며, 이는 에너지 위기와 지구 온난화를 완화하기 위한 것으로 수동 주간 복사 냉각(PDRC)으로 알려져 있다.[19][20][21]

4. 반사율과 기후 변화



반사율은 행성이 흡수하는 복사 에너지의 양을 결정하여 기후에 영향을 미친다.[29] 지표면, 얼음 또는 해양 표면 사이의 반사율 변화로 인한 지구의 불균일한 가열은 날씨를 유발할 수 있다.

기후 시스템의 초기 강제력에 대한 반응은 되먹임에 의해 수정된다. "자체 강화" 또는 "정" 되먹임에 의해 증가하고 "균형" 또는 "부" 되먹임에 의해 감소한다.[30] 주요 강화 되먹임은 수증기 되먹임, 얼음-반사율 되먹임, 그리고 구름의 순 효과이다.[31]

표면이 빙설로 덮여 있는 경우(극지방 등), 알베도는 80%에 달한다. 이 때문에 지구의 열수지에 대한 기여에서는, 빙설 지역은 단순한 냉원으로서뿐 아니라, 태양에너지의 흡수율에도 크게 영향을 미친다. 예를 들어, 지구가 냉각화되어 빙설로 덮인 면적이 증가하면 알베도가 커지고, 지구가 받을 수 있는 태양에너지는 저하된다. 그 때문에, 더욱 냉각화가 가속화되는 양의 피드백이 일어난다(스노우볼 어스). 또한, 지구의 적도 부근의 알베도는 20~30% 정도이다. 그 때문에, 지구온난화에 의해 빙설 면적이 감소하면, 더욱 온난화의 가속화로 이어지는 피드백이 일어난다.[92] 이 피드백은 빙설 알베도 피드백이라고 불린다.

한편, 구름으로 덮인 행성의 알베도는 높고, 흰 구름의 알베도는 70% 정도이다. 그 때문에 반대로, 온난화에 의해 대기 중의 수증기량이 증가하여 구름이 증가하면 알베도가 증가한다는 음의 피드백도 있다.

4. 1. 반사율-온도 피드백

어떤 지역의 반사율이 강설로 인해 변화하면, 눈-온도 되먹임이 발생한다. 눈의 층은 지역 반사율을 증가시켜 햇빛을 반사하고, 이로 인해 지역적인 냉각이 발생한다. 원칙적으로, 외부 온도 변화가 이 지역에 영향을 미치지 않는다면, 증가된 반사율과 낮은 온도는 현재의 눈을 유지하고 더 많은 강설을 유발하여 눈-온도 되먹임을 심화시킨다. 그러나 계절의 변화로 인해 지역 날씨는 역동적이기 때문에, 결국 따뜻한 기단과 더 직접적인 태양광 각도가 눈을 녹인다.[32] 녹은 지역이 풀, 토양 또는 바다와 같이 반사율이 낮은 표면을 드러내면 효과는 반대로 나타난다. 어두워진 표면은 반사율을 낮추어 지역 온도를 높이고, 이는 더 많은 융해를 유도하여 반사율을 더욱 감소시키고, 그 결과 더 많은 가열을 초래한다.[32]

신선한 눈의 반사율은 최대 0.9까지 높지만, 녹는 눈의 경우 약 0.4, 더러운 눈의 경우 0.2까지 낮아진다.[32] 남극의 눈 반사율은 평균 0.8을 약간 웃돈다. 눈이 약간만 덮인 지역이 따뜻해지면 눈이 녹아 반사율이 낮아지고, 그 결과 눈더미가 더 많은 복사열을 흡수하게 되어 눈이 더 많이 녹게 된다(빙하-반사율 양성 피드백).[32]

신선한 눈이 더러운 눈보다 반사율이 높은 것과 마찬가지로, 눈으로 덮인 해빙의 반사율은 해수보다 훨씬 높다. 해수는 반사율이 높은 눈으로 덮인 같은 표면보다 더 많은 태양 복사를 흡수한다. 해수 온도 상승이나 위쪽에서 증가된 태양 복사에 따라 해빙이 녹으면 눈으로 덮인 표면이 줄어들고 더 많은 해수면이 노출되어 에너지 흡수율이 증가한다. 추가로 흡수된 에너지는 해수를 가열하고, 이는 다시 해빙이 녹는 속도를 높인다. 앞서 눈이 녹는 예와 마찬가지로, 해빙이 녹는 과정은 양성 피드백의 또 다른 예이다.[34]

크리오코나이트는 그을음을 포함한 바람에 날리는 가루 같은 먼지로, 때때로 빙하와 빙상의 반사율을 감소시킨다.[35]

양성 피드백에 대한 반사율의 역동적인 특성과 반사율 측정의 작은 오차의 영향은 에너지 추정치에 큰 오차를 초래할 수 있다. 이 때문에 에너지 추정치의 오차를 줄이려면 광범위한 지역에 단일 반사율 값을 적용하는 대신 원격 탐사 기술을 통해 눈으로 덮인 지역의 반사율을 측정하는 것이 중요하다.

표면이 빙설로 덮여 있는 경우(극지방 등), 알베도는 80%에 달한다. 이 때문에 지구의 열수지에 대한 기여에서는, 빙설 지역은 단순한 냉원으로서뿐 아니라, 태양에너지의 흡수율에도 크게 영향을 미친다. 예를 들어, 지구가 냉각화되어 빙설로 덮인 면적이 증가하면 알베도가 커지고, 지구가 받을 수 있는 태양에너지는 저하된다. 그 때문에, 더욱 냉각화가 가속화되는 양의 피드백이 일어난다(스노우볼 어스). 또한, 지구의 적도 부근의 알베도는 20~30% 정도이다. 그 때문에, 지구온난화에 의해 빙설 면적이 감소하면, 더욱 온난화의 가속화로 이어지는 피드백이 일어난다.[92] 이 피드백은 빙설 알베도 피드백이라고 불린다.

한편, 구름으로 덮인 행성의 알베도는 높고, 흰 구름의 알베도는 70% 정도이다. 그 때문에 반대로, 온난화에 의해 대기 중의 수증기량이 증가하여 구름이 증가하면 알베도가 증가한다는 음의 피드백도 있다.

4. 2. 구름의 영향

에어로졸(대기중 부유하는 입자)은 직간접적으로 영향을 미친다. 직접적인 반사율 영향에 의해 일반적으로 지구는 냉각효과(유기탄소(OC)입자) 또는 온실효과(원소탄소(또는 블랙카본, BC)를 가지며, 또한 입자는 구름응결핵(Cloud condensation nuclei)의 역할을 하여 2차적으로 반사율 효과를 일으킨다.[50]

구름은 지구온난화에 주요 변수 중 하나인 알베도의 또 다른 근원이다. 여러 종류의 구름이 다양한 알베도 값을 지니는데 이론적으로 최소 0%에서 최대 70%대에 이른다. 언제나 지구의 반 정도가 구름에 덮여 있는데 그것은 육지와 바다보다 더 많은 태양광을 반사한다. 구름은 태양광을 반사하여 지구를 시원하게 유지하지만 따뜻함을 가두는 담요의 효과를 주기도 한다.[50]

어떤 영역에서 알베도와 기후는 민간 항공에 의해 발생한 인공 구름으로 이미 영향을 받는다.[51] 사담 후세인에 의한 쿠웨이트 유전의 방화는 수마일 떨어진 주위 보다 10도의 온도 하락을 보였다.[52]

구름 반사율은 대기 온도에 상당한 영향을 미친다. 구름의 종류에 따라 반사율이 다르며, 이론적으로는 최소 0에 가까운 값에서 최대 0.8에 가까운 값까지 다양하다. "어떤 날이든 지구의 약 절반은 구름으로 덮여 있으며, 구름은 육지와 물보다 더 많은 태양광을 반사한다. 구름은 태양광을 반사하여 지구를 시원하게 유지하지만, 열을 가두는 담요 역할을 하기도 한다."[50]

일부 지역의 반사율과 기후는 대형 상업용 항공기의 항적과 같이 인공적으로 만들어진 구름의 영향을 받는다.[51] 이라크 점령 기간 동안 쿠웨이트 유전 화재 이후 진행된 연구에 따르면, 타는 유전 아래의 온도는 맑은 하늘 아래 수 마일 떨어진 곳의 온도보다 최대 10°C 더 낮았다.[52]

한편, 구름으로 덮인 행성의 알베도는 높고, 흰 구름의 알베도는 70% 정도이다. 그 때문에 반대로, 온난화에 의해 대기 중의 수증기량이 증가하여 구름이 증가하면 알베도가 증가한다는 음의 피드백도 있다.

4. 3. 인위적 반사율 조작

인간 활동(예: 삼림 벌채, 농업 및 도시화)은 전 세계 여러 지역의 반사율을 변화시킨다.[16] 인간의 영향은 "지표면의 물리적 특성을 변화시켜 지구의 복사 에너지 균형을 바꿈으로써 기후를 교란할 수 있다".[17]

도시화는 일반적으로 반사율을 감소시켜 지구 온난화에 기여한다. 도시 지역의 반사율을 의도적으로 증가시키면 도시 열섬 효과를 완화할 수 있다. 2022년 추정에 따르면, 전 세계적으로 "전 세계 도시 지역의 반사율이 0.1 증가하면 약 ~44Gt의 CO₂ 배출량을 흡수하는 것과 같은 냉각 효과가 나타난다."[18]

지구 표면의 반사율과 주간 열 방출량을 의도적으로 향상시키는 것은 태양 복사 관리 전략으로 제안되었으며, 이는 에너지 위기와 지구 온난화를 완화하기 위한 것으로 수동 주간 복사 냉각(PDRC)으로 알려져 있다.[19][20][21]

스페인 알메리아의 수만 헥타르에 달하는 온실은 넓은 흰색 플라스틱 지붕으로 이루어져 있다. 2008년 연구에 따르면 이러한 인위적인 변화는 고반사율 지역의 국지적 지표면 온도를 낮추었지만, 변화는 국지적이었다.[17] 후속 연구에 따르면 "표면 반사율 변화와 관련된 CO₂-eq. 배출량은 토지 변화의 결과"이며 기후 변화와 관련된 지표면 온도 상승을 감소시킬 수 있다.[23]

지구 온난화를 늦추기 위해 구름이나 안개를 발생시켜 우주 공간으로 반사되는 빛을 늘리는 해양 구름 밝히기(Marine Cloud Brightening, MCB)가 1990년대에 제안되어 실험이 진행되고 있지만, 기후에 어떤 영향을 미칠지는 미지수이다.[93]

5. 반사율의 활용

5. 1. 천문학

천문학에서 반사율은 행성 또는 위성의 표면 성분, 특히 표면에 얼음 비율을 분석하는 데 많이 사용된다.[56][57][58][59][60]

기하학적 반사율은 수직으로 입사한 빛과 다시 수직으로 반사되어 나간 빛의 세기(intensity)의 비로 주어진다. 반면에 본드 반사율(bond albedo)은 들어온 빛의 총량 중에 산란되어 나간 빛의 총량의 비로 정의된다. 따라서 본드 반사율은 반드시 1보다 작으며, 기하학적 반사율은 경우에 따라 1보다 크다. 본드 반사율을 A, 기하학적 반사율을 p, 위상 적분(phase integral)을 q라고 할 때, 다음 관계가 성립한다.[56]

:A=pq

반사율이 높은 토성의 위성 엔셀라두스의 경우 본드 반사율는 0.99이며, 기하학적 반사율은 1.4이다.[56]

토성의 위성인 타이탄은 같은 양의 태양빛을 받음에도 불구하고 토성보다 어둡다. 이는 기하 알베도(0.499)에서 볼 수 있듯이 알베도의 차이(0.22 대 0.499) 때문이다.


행성, 위성, 소행성과 같은 소천체의 반사도는 그 특성을 추론하는 데 사용될 수 있다. 반사도, 파장 의존성, 조명 각도("위상각"), 시간 변화에 대한 연구는 천문학 분야인 광도측정의 주요 부분을 구성한다. 망원경으로 해상도를 구분할 수 없는 작고 먼 천체의 경우, 우리가 알고 있는 대부분의 정보는 반사도 연구에서 나온다.[56] 예를 들어, 절대 반사도는 외태양계 천체의 표면 얼음 함량을 나타낼 수 있으며, 위상각에 따른 반사도의 변화는 레골리스 특성에 대한 정보를 제공하는 반면, 특이하게 높은 레이더 반사도는 소행성의 높은 금속 함량을 나타낸다.[56]

토성의 위성인 엔셀라두스는 태양계의 어떤 천체보다도 가장 높은 광학 반사도 중 하나를 가지고 있으며, 반사도는 0.99이다.[56] 또 다른 주목할 만한 고반사도 천체는 에리스이며, 반사도는 0.96이다.[57] 외태양계의 많은 작은 천체[58]와 소행성대는 약 0.05까지 낮은 반사도를 갖는다.[59] 전형적인 혜성 핵은 0.04의 반사도를 갖는다.[60] 이러한 어두운 표면은 원시적이고 우주 풍화를 심하게 받은 표면으로, 일부 유기 화합물을 포함하는 것으로 생각된다.[60]

달의 전반적인 반사도는 약 0.14로 측정되지만,[61] 강한 방향성과 비람베르트 반사를 보이며, 강한 반대 효과도 나타낸다.[76] 이러한 반사 특성은 지구상의 어떤 지형과도 다르지만, 무대기 태양계 천체의 레골리스 표면의 전형적인 특징이다.[76]

천문학에서 사용되는 두 가지 일반적인 광학 반사도는 (V 대역) 기하학적 반사도(관측자 바로 뒤에서 조명이 들어올 때의 밝기를 측정)와 본드 반사도(반사되는 전자기 에너지의 총 비율을 측정)이다. 그 값은 상당히 다를 수 있으며, 이는 혼란의 일반적인 원인이 된다.[56]

행성기하학적 반사도본드 반사도
수성0.142 [81]0.088 [82] 또는 0.068
금성0.689 [81]0.76 [83] 또는 0.77
지구0.434 [81]0.294 [61]
화성0.170 [81]0.250 [62]
목성0.538 [81]0.343±0.032 [63] 및 0.503±0.012 [84]
토성0.499 [81]0.342 [85]
천왕성0.488 [81]0.300 [86]
해왕성0.442 [81]0.290 [87]



상세한 연구에서 천체의 방향 반사 특성은 종종 5가지 합케 매개변수로 표현되는데, 이는 반사도의 위상각 변화를 반경험적으로 설명하며, 레골리스 표면의 반대 효과의 특징을 포함한다. 이러한 5가지 매개변수 중 하나는 단일 산란 반사도라는 또 다른 유형의 반사도이다. 이것은 작은 입자에 대한 전자기파의 산란을 정의하는 데 사용된다. 이것은 재료의 특성(굴절률), 입자의 크기 및 들어오는 방사선의 파장에 따라 달라진다.[56]

천체의 (기하학적) 반사도, 절대 등급 및 지름 사이의 중요한 관계는 다음과 같이 주어진다.[64]

:A =\left ( \frac{1329\times10^{-H/5}}{D} \right ) ^2,

여기서 A는 천문 반사도, D는 킬로미터 단위의 지름, H는 절대 등급이다.

천체\hat{\sigma}_\text{OC}
달0.06 [65]
수성0.05 [65]
금성0.10 [65]
화성0.06 [65]
S형 소행성 평균0.14 [67]
C형 소행성 평균0.13 [67]
M형 소행성 평균0.26 [68]
혜성 P/2005 JQ50.02 [69]



달, 수성, 화성, 금성, 그리고 혜성 P/2005 JQ5에 대한 값은 해당 참고 문헌에 보고된 총(OC+SC) 레이더 반사율에서 유도된 것이다.[65]

태양계의 행성 중 알베도가 가장 높은 것은 금성이고, 가장 낮은 것은 수성이다(본드 알베도, 기하 알베도 모두).[94][95]

천체종류본드 알베도가시 기하 알베도출처
01 수성행성010.0680.142[94]
02 금성행성020.900.67[95]
03 지구행성030.3060.367[96]
03.1 달위성03.10.110.12[97][98]
04 화성행성040.250.15[99]
04.1 포보스위성04.10.071[98]
04.2 데이모스위성04.20.068[98]
06 목성행성060.3430.52[100]
06.1 이오위성06.10.63[98]
06.2 에우로파위성06.20.67[98]
06.3 가니메데위성06.30.43[98]
06.4 칼리스토위성06.40.17[98]
07 토성행성070.3420.47[101]
07.1 야누스위성07.10.17[98]
07.2 미마스위성07.20.962[98]
07.3 엔켈라두스위성07.31.375[98]
07.4 테티스위성07.41.229[98]
07.5 디오네위성07.50.998[98]
07.6 레아위성07.60.949[98]
07.7 타이탄위성07.70.2[98]
07.8 히페리온위성07.80.3[98]
07.9 이아페투스위성07.90.6[98]
08 천왕성행성080.3000.51[102]
08.1 미란다위성08.10.32[98]
08.2 아리엘위성08.20.39[98]
08.3 움브리엘위성07.30.21[98]
08.4 티타니아위성08.40.27[98]
08.5 오베론위성08.50.23[98]
09 해왕성행성090.2900.41[103]
09.1 트리톤위성09.10.719[98]
10 명왕성왜소행성100.4–0.60.5–0.7[104]
10.1 카론위성10.10.372[98]


5. 2. 태양광 발전

반사율은 태양광 광전소자의 전기에너지 출력에 영향을 미칠 수 있다.[37] 분광 반응 반사율의 영향은 비정질 실리콘(a-Si:H) 기반과 결정질 실리콘(c-Si) 기반 태양광 기술의 분광 가중 반사율과 기존의 분광 통합 반사율 예측 간의 차이를 통해 설명된다. 연구에 따르면 수직(90°)으로 설치된 시스템의 경우 10% 이상의 영향이 있었지만, 표면 경사가 낮은 시스템의 경우 그러한 영향은 훨씬 적었다.[37] 분광 반사율은 양면 태양전지의 성능에 큰 영향을 미치는데, 건강한 식물 위에 설치된 c-Si 전지의 경우 후면 표면 성능 향상이 20% 이상 관찰되었다.[38] 흔히 볼 수 있는 22가지 표면 재료(인공 및 자연 모두)의 정반사율로 인한 편차 분석은 산업용(태양광 발전소), 상업용 평지붕, 주거용 경사지붕 응용 분야의 세 가지 일반적인 태양광 시스템 토폴로지에 설치된 7가지 광전 재료의 성능을 시뮬레이션하기 위한 유효 반사율 값을 제공했다.[39]

6. 한국의 반사율 연구

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