태양 광도

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1. 개요
2. 물리량 결정
3. 계산
- 3.1. 지구에 도달하는 태양 에너지
- 3.2. 인류가 사용하는 에너지
4. 궤도 강제력과 밀란코비치 순환
- 4.1. 궤도 강제력
- 4.2. 밀란코비치 순환
참조

1. 개요

태양 광도는 태양이 단위 시간당 내뿜는 총 에너지의 양을 의미한다. 태양 광도는 지구 대기 상층에서 측정된 태양 복사 조도, 즉 태양 상수와 태양-지구 간 거리를 이용하여 계산할 수 있으며, 슈테판-볼츠만 법칙을 통해서도 구할 수 있다. 지구에 도달하는 태양 에너지는 지구의 반지름, 태양광을 받는 지표면적, 태양-지구 간 평균 거리를 이용하여 계산할 수 있으며, 인류가 사용하는 에너지를 태양광으로 충당하기 위해 필요한 지표면적을 계산하는 데에도 활용된다. 태양 광도는 궤도 강제력과 밀란코비치 순환에도 영향을 미친다.

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태양 광도
태양 광도 정보
태양 광도(적색), 태양 반지름(청색), 태양의 유효 온도(녹색)의 변화를 나타낸 그래프
영어 명칭	Solar luminosity
기호	L_☉, L_o
단위	천문 단위계
물리량	광도
SI 단위	3.839 × 10²⁶W
정의	태양의 광도
참고 문헌	"" "" "" ""

2. 물리량 결정

태양광도는 지구상 또는 인공위성 궤도에서 측정한 복사 조도와 관련이 있다. 지구 대기권 상층에서 측정한 평균 복사 조도를 태양 상수(''I''_☉)라고 부른다. 복사 조도는 단위 면적에 가해지는 압력으로 정의되며, 태양광도(''L''_☉)는 다음 공식을 통해 계산할 수 있다.

: $L_\odot = 4\pi kI_\odot A^2\,$

여기서 ''A''는 1 천문단위(AU)이며, ''k''는 지구-태양 간 거리가 정확히 1 AU가 아님을 반영하는 상수(1에 매우 가까운 값)이다.

또한, 태양광도는 슈테판-볼츠만 법칙을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수도 있다.

: $L_\odot = 4\pi R_\odot^2 \times \sigma T^4$

여기서 σ는 슈테판-볼츠만 상수, T는 태양 표면 온도, R_☉는 태양 반지름이다.

3. 계산

태양 광도를 계산하는 방법은 다음과 같다. 지구에 도달하는 태양 에너지와 인류가 사용하는 에너지량을 비교하여 태양광 에너지의 중요성을 알 수 있다. 최고 성능의 태양 전지를 이용할 경우, 일정량의 에너지를 얻기 위해 필요한 지표면적을 계산할 수 있다. (구름 등의 효과를 고려하면 더 넓은 면적이 필요하다.)^[1]

태양광이 닿는 지표면적과 지구-태양 간의 평균 거리(천문 단위)를 반지름으로 하는 구의 표면적을 비교하여 지구가 받고 있는 태양광 에너지를 계산할 수 있다.

3. 1. 지구에 도달하는 태양 에너지

지구의 반지름, 태양광을 받는 지표면적, 태양-지구 간 평균 거리(1 천문 단위)를 이용하여 지구에 도달하는 태양 에너지를 계산할 수 있다.

지구의 반지름은 6378km이다.
태양광을 받는 지표면적은 Π×(지구의 반지름)²=1.28억km²이다. ・・・(면적 1)
태양-지구 간의 평균 거리(1 천문 단위)는 1.5억km이다.
1 천문 단위를 반지름으로 하는 구의 표면적은 4×Π×(1 천문 단위)²=282000조km²이다. ・・・(면적 2)
지구에 도달하는 태양 에너지는 P(태양 전체)×(면적 1)/(면적 2)=1.77×10¹⁷W 이다.
지표 1 m²당 태양 에너지는 P(태양 전체)×(1/1609²)/면적 2=1387W (태양 상수)이다.
인류가 이용하고 있는 에너지량의 추정치는 12×10¹²W 이다.
그 정도의 에너지를 충당하려면 얼마나 많은 지표면적이 필요한가?
최고 성능의 태양 전지는 33%의 효율로 태양광 에너지를 이용할 수 있다.
필요 지표면적=12×10¹²/(1387×0.33)=26×10⁹ m²=26000km² (구름 등의 효과를 고려하면 더 필요하다.)

3. 2. 인류가 사용하는 에너지

인류가 이용하고 있는 에너지량의 추정치는 12 × 10¹² W이다.^[1] 최고 성능의 태양 전지는 33%의 효율로 태양광 에너지를 이용할 수 있으므로,^[1] 이 정도의 에너지를 충당하기 위해 필요한 지표 면적은 다음과 같이 계산할 수 있다.

: 필요 지표 면적 = 12 × 10¹² / (1387 × 0.33) = 26 × 10⁹ m² = 26000km² (구름 등의 효과를 고려하면 더 필요하다.)^[1]

4. 궤도 강제력과 밀란코비치 순환

태양 광도는 일사량(태양 상수)과 관련이 있으며, 지구의 궤도 강제력에 영향을 미친다. 이는 밀란코비치 순환을 일으켜 지구의 빙하기 주기를 결정하는 요인 중 하나이다. 지구 대기 상단의 평균 일사량은 태양 상수 ''I''_☉로 알려져 있다. 일사량은 단위 면적당 전력이므로, 태양 광도(태양에서 방출되는 총 전력)는 지구에서 수신되는 일사량(태양 상수)에 지구와 태양 사이의 평균 거리를 반지름으로 하는 구의 면적을 곱하여 구할 수 있다.

: $L_\odot = 4\pi k I_\odot A^2$

여기서 ''A''는 천문 단위 거리(미터 단위의 천문 단위 값)이고, ''k''는 지구에서 태양까지의 평균 거리가 정확히 1 천문 단위가 아니라는 사실을 반영하는 상수(값은 1에 매우 가깝다)이다.

4. 1. 궤도 강제력

궤도 강제력은 지구의 공전 궤도와 자전축 변화로 인해 발생하는 기후 변화를 의미한다. 태양의 복사 조도는 빙하기의 주기를 결정하는 밀란코비치 사이클을 일으키는 궤도 강제력의 원인이 된다.

4. 2. 밀란코비치 순환

밀란코비치 순환은 지구의 궤도 요소(이심률, 자전축 기울기, 세차운동) 변화가 주기적으로 일어나면서 지구 기후에 영향을 미치는 현상이다. 태양의 복사 조도는 빙하기 주기를 결정하는 밀란코비치 사이클을 일으키는 Orbital forcing|궤도 강제력^영어의 원인이 된다.

참조

_[1] 간행물 Solar and Stellar Variability: Impact on Earth and Planets, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium 2010-02
_[2] 웹사이트 Resolution B3 on recommended nominal conversion constants for selected solar and planetary properties https://www.iau.org/[...] International Astronomical Union 2015
_[3] 논문 How the inclination of Earth's orbit affects incoming solar irradiance https://pubs.giss.na[...]
_[4] 논문 Solar Mass Loss, the Astronomical Unit, and the Scale of the Solar System 2008
_[5] 웹인용 Sun Fact Sheet — Sun/Earth Comparison http://nssdc.gsfc.na[...] National Aeronautics and Space Administration 2013-07-01
_[6] 웹인용 Solar Mass Loss, the Astronomical Unit, and the Scale of the Solar System http://arxiv.org/ftp[...]

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