복사냉각
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1. 개요
복사 냉각은 물체가 열을 전자기파 형태로 방출하여 온도가 낮아지는 현상이다. 모든 물체는 온도에 따라 열복사를 하며, 지표면은 적외선을 방출하여 냉각된다. 방사 냉각은 맑고 바람이 없는 밤에 강하게 일어나며, 서리나 블랙 아이스 형성을 유발할 수 있다. 방사 냉각의 강도는 바람, 구름, 지표면의 열용량, 열전도율 등에 영향을 받으며, 건축, 우주 망원경, 야흐찰 등 다양한 분야에 응용된다. 지구의 에너지 균형과 켈빈의 지구 나이 추정에도 관련된 개념이며, 천문학에서는 백색 왜성의 냉각 과정을 설명하는 데 사용된다.
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2. 원리
모든 물체는 온도에 따라 전자기파를 방출하며, 이를 열복사라고 한다.[30] 방출되는 에너지의 양은 표면 온도(절대 온도)의 네 제곱에 비례한다(스테판-볼츠만 법칙).[30] 방출되는 전자기파의 주파수(파장)는 연속 스펙트럼 분포를 보이며, 온도가 높은 물체일수록 파장이 짧은 전자기파를 강하게 방출한다.
적외선은 8–13 μm 파장 범위에서 건조하고 맑은 공기를 통과할 수 있다. 에너지를 흡수하여 해당 파장에서 방출할 수 있는 물질은 강력한 냉각 효과를 나타낸다. 또한 200 나노미터에서 2.5 μm 범위에서 햇빛의 95% 이상을 반사할 수 있는 물질은 직사광선에서도 냉각 효과를 나타낼 수 있다.[7]
복사 냉각 지붕은 높은 태양 반사율과 높은 열 방출율을 결합하여 태양으로부터의 열 획득을 줄이고 복사를 통해 열 제거를 동시에 증가시킨다. 따라서 복사 냉각은 주거용 및 상업용 건물에 대한 수동 냉각의 잠재력을 제공한다.[10] 페인트 코팅, 벽돌 및 콘크리트와 같은 기존의 건축 표면은 최대 0.96의 높은 방출률을 갖는다.[11] 이들은 밤에 건물을 수동적으로 냉각시키기 위해 열을 하늘로 방출한다. 햇빛에 충분히 반사되도록 만들면 이러한 재료는 낮에도 복사 냉각을 달성할 수 있다.
건물에서 발견되는 가장 일반적인 복사 냉각기는 최대 0.94의 태양 반사율과 최대 0.96의 열 방출률을 가진 흰색 냉각 지붕 페인트 코팅이다.[12] 페인트의 태양 반사율은 폴리머 페인트 수지에 포함된 유전체 안료의 광학 산란에서 발생하며, 열 방출률은 폴리머 수지에서 발생한다. 그러나 이산화 티타늄 및 산화 아연과 같은 일반적인 백색 안료는 자외선 복사를 흡수하기 때문에 이러한 안료를 기반으로 한 페인트의 태양 반사율은 0.95를 초과하지 않는다.
2014년에 연구자들은 장파 적외선을 선택적으로 우주로 방출하는 다층 열 광자 구조를 사용하여 최초의 주간 복사 냉각기를 개발했으며, 직사광선 아래에서 5 °C의 주변 온도 이하 냉각을 달성할 수 있다.[13] 이후 연구자들은 0.96-0.99의 태양 반사율과 0.97의 열 방출률을 제공하기 위해 빛을 산란시키는 다공성 폴리머 코팅을 개발했다.[14] 직사광선 실험에서 코팅은 6 °C의 주변 온도 이하 온도와 96W/m2의 냉각 전력을 달성한다.
기타 주목할만한 복사 냉각 전략으로는 금속 거울의 유전체 필름[15]과 은 또는 알루미늄 필름의 폴리머 또는 폴리머 복합재가 있다.[16] 2015년에는 한여름 태양 아래에서 상업용 흰색 페인트보다 11 °C 더 시원한 0.97의 태양 반사율과 0.96의 열 방출률을 가진 은도금 폴리머 필름이 보고되었다.[17] 연구자들은 태양 파장에서 반투명하고 적외선에서 방출하는 폴리머에 삽입된 유전체 이산화 규소 또는 탄화 규소 입자를 사용한 설계를 탐구했다.[18][19] 2017년에는 폴리머 매트릭스에 무작위로 삽입된 공진 극성 실리카 미소 구체를 사용한 이 설계의 예가 보고되었다.[20] 이 물질은 햇빛에 투명하며 적외선 대기 투과 창에서 0.93의 적외선 방사율을 갖는다. 은 코팅으로 뒷면을 처리했을 때 이 물질은 직사광선 아래에서 93W/m2의 정오 복사 냉각 전력을 달성했으며 고처리량, 경제적인 롤투롤 제조가 가능했다.
2. 1. 지표면의 방사 냉각
지표면은 주로 적외선을 방출하여 열을 잃는데, 이는 태양으로부터의 일사가 지면을 가열하는 것과 반대되는 작용이다. 지표면의 방사 냉각은 맑은 날씨에 바람이 약한 밤에 가장 강하게 일어나며, 지면 부근 공기의 온도를 낮춘다.[32]지표면의 순복사량(방출하는 열복사량 - 들어오는 일사량)은 방사 냉각의 정도를 나타내는 지표이다. 보통 저녁 해 질 녘 직전에 일사 가열과 방사 냉각이 역전되어 냉각이 시작되며, 냉각 속도는 저녁에 가장 빠르고 점차 느려진다.
3. 방사 냉각의 강도에 영향을 미치는 요소
바람이 강하거나 구름이 많을 때는 방사 냉각에 의한 밤의 냉각이 억제된다. 이는 바람이 냉각된 지표 부근의 공기와 비교적 따뜻한 상공의 공기를 혼합하기 때문이며, 구름으로부터의 하향 열 복사는 지표를 따뜻하게 하고, 수증기는 적외선을 흡수하기 쉽기 때문이다.
지표에서 방출되는 열 복사량에서 지표로 들어오는 일사량을 뺀 것을 순복사량이라고 하며, 지표가 방사에 의해 잃는 에너지를 나타내며, 방사 냉각량에 비례한다. 맑은 야간에는 60~100와트 매 제곱미터(W m−2)에 달하고, 낮은 구름이 넓게 퍼져 있을 때는 20 W m−2 정도가 된다.[33]
지표 물체의 열용량이 작을수록, 지열을 전달하는 열전도율이 작을수록 방사 냉각은 강하다.[33] 표토가 건조할수록 잘 냉각되며,[33] 적설이 있을 때는 없을 때보다 춥고, 특히 신설이 열전도율이 작아 잘 냉각된다.[33]
산으로 둘러싸인 분지에서는 주위 사면에서 냉기가 내려와 쌓이는 냉기호가 생기므로 평지보다 냉각이 강하다. 분지가 깊을수록 그 효과는 강해진다.[33] 또한 지형의 기복이나 기류를 방해하는 수목 등의 물체에 의해, 냉기가 흘러내리기 쉽거나 쌓이기 쉬운 장소가 있다.[34]
밤이 충분히 길게 이어져 방사 평형에 도달했다고 가정하고 이론상 유도되는 방사 냉각량의 최대값은, 한랭지에서 건조한 경우 약 30℃, 열대의 다습한 지역에서 약 10℃, 일본의 봄, 가을에는 약 20℃ 정도이다.[33]
4. 방사 냉각에 따른 현상
방사 냉각으로 지표면 온도가 영하로 내려가면 서리가 발생한다. 방사 냉각은 지표면 부근의 공기를 냉각시켜 포화 상태에 이르게 하고, 안개를 생성할 수 있는데 이를 방사 안개라고 한다.
방사 냉각으로 지표면 부근의 기온이 상공보다 낮아지는 역전층이 형성될 수 있다. 역전층은 대기 오염 물질의 확산을 막아 스모그를 유발할 수 있다.
식물의 잎은 지표면보다 더 낮은 온도로 냉각될 수 있어 동상해 피해를 입을 수 있다.[35]
5. 방사 냉각의 응용
농업 분야에서는 비닐하우스나 덮개를 사용하여 야간에 발생하는 방사 냉각으로 인한 농작물 피해를 줄인다. 또한, 방상팬을 가동하여 지표면 근처의 냉각된 공기를 위쪽의 따뜻한 공기와 섞어 온도를 높이기도 한다.[21][22][23]
건축 분야에서는 복사 냉각 지붕이 활용된다. 이는 높은 태양 반사율과 높은 열 방출율을 통해 태양열 획득을 줄이고 복사를 통한 열 제거를 증가시키는 방식이다.[10] 페인트 코팅, 벽돌, 콘크리트와 같은 기존 건축 표면은 높은 방출률을 가지며,[11] 밤에는 열을 방출하여 건물을 냉각시키고, 낮에도 햇빛을 반사하여 냉각 효과를 얻을 수 있다.
5. 1. 대한민국에서의 방사 냉각 응용 사례
한국의 전통 가옥은 여름철 더위를 피하기 위해 마당에 그늘을 만들고, 통풍이 잘 되도록 설계되었다. 이는 방사 냉각 효과를 간접적으로 활용한 예시로 볼 수 있다.최근 대한민국에서는 건물 에너지 효율을 높이기 위해 쿨 루프 기술을 적용하는 사례가 늘고 있다. 복사 냉각 지붕은 높은 태양 반사율과 높은 열 방출율을 결합하여 태양으로부터의 열 획득을 줄이고 복사를 통해 열 제거를 동시에 증가시킨다.[10] 페인트 코팅, 벽돌 및 콘크리트와 같은 기존의 건축 표면은 최대 0.96의 높은 방출률을 갖는다.[11] 이들은 밤에 건물을 수동적으로 냉각시키기 위해 열을 하늘로 방출하며, 햇빛에 충분히 반사되도록 만들면 낮에도 복사 냉각을 달성할 수 있다.
6. 지구 에너지 예산과 복사 냉각
지구-대기 시스템은 태양으로부터 흡수하는 단파(가시광선) 에너지와 복사 냉각을 통해 방출하는 장파(적외선) 에너지의 균형을 이룬다.
열은 대류와 잠열의 증발 수송을 통해 표면에서 제거되어 대기 중으로 분산된다. 순수한 복사 수송은 대기 상층부에서 더 중요하다. 주간 및 지리적 변동은 이러한 상황을 더욱 복잡하게 만든다.
지구 대기의 대규모 순환은 열대 지방이 태양에 의해 더 많이 가열되어 제곱미터당 흡수되는 태양 복사의 차이로 인해 발생한다. 대기와 해양 순환은 이 에너지의 일부를 현열과 잠열 형태로 재분배한다. 이는 평균적인 흐름과 대기 중 사이클론으로 알려진 소용돌이를 통해 이루어진다. 결과적으로 열대 지방은 순환이 없을 때보다 우주로 덜 복사하고, 극지방은 더 많이 복사하지만, 절대적인 측면에서는 열대 지방이 우주로 더 많은 에너지를 복사한다.
6. 1. 켈빈의 지구 나이 추정
켈빈 경은 복사 냉각 원리를 이용하여 지구의 나이를 추정하였다.[4] 하지만 켈빈 경의 추정치는 당시 알려지지 않았던 방사성 동위원소 붕괴에 의해 방출되는 열과 맨틀에서의 대류 효과를 고려하지 않아 실제 지구 나이보다 훨씬 젊게 추정되었다.[4]7. 천문학에서의 복사 냉각
백색왜성은 핵융합이나 중력 수축으로 에너지를 생성하지 않으며 태양풍도 없다. 따라서 온도가 변하는 유일한 방법은 복사 냉각을 통해서이다. 이는 백색왜성의 온도를 나이에 따라 매우 예측 가능하게 만들며, 따라서 천문학자들은 온도를 관찰하여 별의 나이를 추론할 수 있다.[8][9]
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