복사강제력

3. 역사

지구-대기 시스템 내 에너지와 물질의 수송은 평형 열역학의 원리, 더 일반적으로는 비평형 열역학의 원리에 의해 지배된다. 20세기 전반기에 물리학자들은 복사 전달에 대한 포괄적인 설명을 개발하여 복사 평형 상태의 별과 행성 대기에 적용하기 시작했다. 이후 복사-대류 평형(RCE)에 대한 연구가 뒤따랐고 1960년대와 1970년대에 걸쳐 발전했다. RCE 모델은 물 순환과 같은 에너지 균형 내에서 더 복잡한 물질 흐름을 설명하기 시작하여 관측 결과를 더 잘 설명했다.

평형 모델의 또 다른 응용 분야는 섭동이 외부적으로 가해진 개입의 형태로 상태의 변화를 추정할 수 있다는 것이다. RCE 연구는 이를 변화에 대한 '강제-피드백 프레임워크'로 정제했으며, GCM의 결과와 일치하는 기후 민감도 결과를 도출했다. 이 개념적 틀은 균일한 교란(사실상 대기 상단 에너지 균형에 가해짐)이 시스템을 새로운 평형 상태로 가져오기 위해 더 느린 반응(행성 표면 온도 변화와 다소 상관관계가 있음)을 통해 충족될 것이라고 주장한다. '복사 강제력'은 이러한 교란을 설명하기 위해 사용된 용어였으며 1980년대에 문헌에서 널리 사용되었다.^[4]

4. 관련 지표

IPCC 6차 평가 보고서에서 ''복사 강제력''은 "기후 변화의 외부 요인, 예를 들어 이산화탄소(CO₂) 농도, 화산 에어로졸 농도 또는 태양 출력의 변화로 인한 순, 하향에서 상향으로의 복사 플럭스 변화(W/m²로 표현)"^[5]로 정의된다.

복사 강제력에는 몇 가지 다른 유형이 있다:^[5]

• ''순간 복사 강제력:'' 성층권 온도 변화를 고려하지 않는다.
• ''유효 복사 강제력:'' 성층권 및 대류권 조정을 모두 고려한다.
• ''성층권 조절 복사 강제력:'' 모든 대류권 특성이 교란되지 않은 값으로 고정되고, 성층권 온도가 교란된 경우 복사-역학적 평형으로 재조정되도록 허용한다.

4. 1. 조정된 복사 강제력

4. 2. 유효 복사 강제력 (ERF)

4. 3. 복사 커널 접근 방식

5. 활용

주 1: 기상청 요약에 따른 복사 강제력의 전형적인 지리적 범위(공간적 범위)

IPCC의 정의와 복사 강제력 수치에는 불확실성이 존재한다. 대기 중 물의 영향을 제거하고 있으며, 산업 혁명 이전에도 기온 변동이 있었다는 점, 그리고 과학적 이해 수준이 낮은 요소들이 복사 강제력에 영향을 줄 수 있다는 점 등이 그 근거이다.

5. 1. 기후 변화 원인 분석

• 성층권 조절 복사 강제력: 대류권 특성은 고정되고, 성층권 온도가 복사-역학적 평형으로 재조정되는 경우.
• 순간 복사 강제력: 성층권 온도 변화를 고려하지 않는 경우.
• 유효 복사 강제력: 성층권 및 대류권 조정을 모두 고려한 경우.

주 1: 기상청 요약에 따른 복사 강제력의 전형적인 지리적 범위(공간적 범위)에 해당하는 부분.

하지만 IPCC의 정의와 복사 강제력 수치에는 불확실성이 존재한다. 대기 중 물의 영향을 제거하고 있으며, 산업 혁명 이전에도 기온 변동이 있었다는 점, 그리고 과학적 이해 수준이 낮은 요소들이 복사 강제력에 영향을 줄 수 있다는 점 등이 그 근거이다.

5. 2. 기후 민감도

6. 계산 및 측정

지구의 전반적인 복사 평형은 지구가 태양을 자전하고 공전함에 따라, 그리고 지구, 해양 및 대기 시스템 내에서 전 지구적 규모의 열 이상 현상이 발생하고 소멸됨에 따라 변동한다 (예: ENSO).^[16] 결과적으로, 지구의 '순간적인 복사 강제력'(IRF) 또한 역동적이며 자연적으로 전반적인 온난화와 냉각 상태 사이에서 변동한다. 이러한 자연적 변동을 일으키는 주기 함수와 복잡계의 조합은 일반적으로 몇 년 정도 지속되는 기간 동안 되돌아와 순 제로 평균 IRF를 생성한다. 이러한 변동은 또한 인간 활동으로 인한 장기적(수십 년) 강제력 추세를 가리고, 따라서 이러한 추세의 직접적인 관찰을 어렵게 만든다.^[17]

복사 강제력은 2003년부터 2018년까지 +0.53W/m² (±0.11W/m²) 증가한 것이 직접 관찰되었다. 증가의 약 20%는 대기 에어로졸 부하 감소와 관련이 있었고, 나머지 80%는 온실 가스 부하 증가에 기인했다.^[17][23][24]

지구 전체의 CO^영어₂ 증가로 인한 복사 불균형의 증가 추세는 이전에 지상 기반 기기를 통해 관찰되었다. 예를 들어, 오클라호마와 알래스카의 두 대기 복사 측정 (ARM) 사이트에서 맑은 하늘 조건에서 별도로 측정이 이루어졌다.^[25] 각 관측 결과, 2010년까지 10년 동안 지표면에서 일어나는 복사(적외선) 가열이 +0.2W/m² (±0.07W/m²) 증가했음이 밝혀졌다.^[26][27] 이 결과는 출력 장파 복사와 가장 영향력 있는 강제 가스(CO^영어₂)에만 초점을 맞추고 있을 뿐만 아니라, 대기 흡수에 의한 완충 작용으로 인해 대기 상단(TOA) 강제력보다 비례적으로 작다.

6. 1. 대기 관측

6. 2. 기본 추정

7. 대기 중 가스 변화로 인한 강제력

온실 기체의 농도 변화에 따른 복사 강제력은 복사 전달 코드를 사용하여 계산할 수 있으며, 각 기체에 특정한 대수적 공식으로 단순화할 수 있다. 잘 혼합된 온실 기체의 경우, 복사 전달 코드를 사용하여 대기 조건에 대한 각 스펙트럼선을 조사하여 농도 변화에 따른 강제력 ΔF를 계산할 수 있다.

7. 1. 이산화탄소 (CO₂)

하지만, 고농도에서는 1차 근사식이 정확하지 않으며, 이산화탄소에 의한 적외선 흡수에 포화가 없다.^[31] 이산화탄소의 스펙트럼 분포, 특히 페르미 공명에서 발생하는 15-''μ''m 밴드의 확산이 로그 스케일링에 중요한 역할을 한다.^[33][34][35]

7. 2. 기타 미량 기체

7. 3. 수증기

8. 태양 복사 조도 변화로 인한 강제력

태양 복사의 강도는 지구의 기후에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나이다. 전 태양 복사량 (TSI)는 지구 대기 상층부에서 측정되는 태양 에너지의 양을 나타내며, 이 값은 태양 활동과 지구 궤도에 따라 변동한다.

태양 복사의 변화는 지구의 에너지 균형에 영향을 주어 기후 변화를 일으킬 수 있으며, 이러한 변화는 크게 네 가지 주기로 나타난다.

이전에 논의된 각 변화는 다음과 같은 강제력을 기여한다.

: $\backslash Delta\; F\; =\; ~I\_0\; \backslash times\; (1-R)\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash tau\; ~~\; =\; ~\; 238\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash tau\; ~~(\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\})\; \backslash ,$,

여기서 R=0.30은 지구의 반사율이다. 태양 복사량 변화로 인한 복사 및 기후 강제력은 아직 발견되지 않은 태양 물리학에도 불구하고 계속 미미할 것으로 예상된다.^[50][56]

8. 1. 총 태양 복사 조도 (TSI) 변화

지난 10년 동안 지구의 태양 복사 조도의 최대 분수 변화(Δτ)는 표에 요약되어 있다. 이전에 논의된 각 변화는 다음과 같은 강제력을 기여한다.

:$\{\backslash displaystyle\; \backslash Delta\; F=~I\_\{0\}\backslash times\; (1-R)\backslash times\; \backslash Delta\; \backslash tau\; ~~=~238\backslash times\; \backslash Delta\; \backslash tau\; ~~(W~m^)\}$,

여기서 R=0.30은 지구의 반사율이다. 태양 복사량 변화로 인한 복사 및 기후 강제력은 아직 발견되지 않은 태양 물리학에도 불구하고 계속 미미할 것으로 예상된다.^[50][56]

8. 2. 흑점 활동

8. 3. 밀란코비치 주기

8. 4. 태양 노화

9. 알베도 및 에어로졸 변화로 인한 강제력

입사하는 태양 복사 에너지의 일부는 구름과 에어로졸, 대양과 지형, 눈과 얼음, 식생 및 기타 자연 및 인공 표면 특징에 의해 반사된다. 반사된 부분은 지구의 본드 알베도(R)로 알려져 있으며, 대기 상단에서 평가했을 때 연평균 전 지구 값은 약 0.30(30%)이다.^[57] 지구 알베도의 변화는 복사 강제력에 영향을 준다.

자연적인 과정, 인간의 활동, 시스템 피드백으로 인해 지역별 알베도는 해마다 변동한다. 예를 들어, 인간의 산림 벌채는 일반적으로 지구의 반사율을 높이는 반면, 건조한 지역에 물 저장과 관개를 도입하면 반사율을 낮출 수 있다. 마찬가지로, 피드백을 고려할 때, 북극 지역의 얼음 손실은 알베도를 감소시키는 반면, 저위도 및 중위도 지역의 사막화 확장은 알베도를 증가시킨다.

2000년부터 2012년까지 CERES가 측정한 값의 0.1% 표준 편차 내에서 지구 알베도의 전체적인 추세는 감지되지 않았다.^[58] 역사적 증거에 따르면 주요 화산 폭발과 같은 드문 사건은 수년 이상 행성 알베도를 상당히 교란시킬 수 있다.^[61]

21세기 첫 10년 동안 측정된 지구 알베도의 분수 변화(Δ''α'')에 따른 복사 강제력은 다음과 같다.

:$\backslash Delta\; F\; =\; ~-I\_0\; \backslash times\; R\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash alpha\; ~~\; =\; ~-102\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash alpha\; ~~(\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\})\; \backslash ,$.

위성 관측에 따르면 최근 자연적 및 인위적 변화에도 불구하고 다양한 지구 시스템 피드백이 행성 알베도를 안정화시켰다.^[59]

9. 1. 지구 알베도 변화

21세기 첫 10년 동안 측정된 지구 알베도의 분수 변화(Δ''α'')는 표에 요약되어 있다. TSI와 유사하게, 행성 알베도의 분수 변화(Δ''α'')로 인한 복사 강제력은 다음과 같다.

:$\backslash Delta\; F\; =\; ~-I\_0\; \backslash times\; R\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash alpha\; ~~\; =\; ~-102\; \backslash times\; \backslash Delta\; \backslash alpha\; ~~(\backslash mathrm\{W\}~\backslash mathrm\{m\}^\{-2\})\; \backslash ,$.

위성 관측에 따르면 최근 자연적 및 인위적 변화에도 불구하고 다양한 지구 시스템 피드백이 행성 알베도를 안정화시켰다.^[59] 더 긴 시간 척도에서 이러한 외부 변화로 인한 순 강제력이 미미하게 유지될지는 불확실하다.

9. 2. 연간 변동성

10. 최근 성장 추세

산업 혁명 이후, 지구 대기에서 장수하고 잘 혼합된 온실 가스의 복사 강제력이 증가하고 있다.^[64] 아래 표는 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화 질소(N₂O), 클로로플루오로카본(CFCs) 등 주요 온실 가스의 복사 강제력 변화를 보여준다.

2022년 기준, 1750년 대비 총 복사 강제력은 3.398 W/m²이며, 이 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지한다. CO₂는 전체 강제력을 지배하고 있으며, 메탄과 클로로플루오로카본(CFC)은 시간이 지남에 따라 전체 강제력에 대한 기여도가 상대적으로 작아지고 있다.^[64]

몬트리올 의정서에 따른 CFC 감축 노력은 순 복사 강제력 증가를 완화하는 데 기여했다.

'연간 온실 가스 지수'(AGGI)는 특정 연도의 장수 온실 가스로 인한 총 직접 복사 강제력과 1990년(교토 의정서 기준 연도)의 강제력 비율을 나타낸다.^[64] 2013년 AGGI는 1.34로, 1990년 이후 총 직접 복사 강제력이 34% 증가했음을 의미한다.

11. 복사 강제력의 불확실성 및 문제점 (일본어 문서 관련)

기후 변화에 관한 정부 간 패널(IPCC)의 정의에 따른 복사 강제력 수치에는 다음과 같은 불확실성이 존재한다.^[69]

• 대기 중의 물(수증기, 구름, 강수)의 영향을 제거하고 있다. IPCC 보고서에서는 대기 중의 물은 이차적인 피드백 기구일 뿐이며, 대류권 내에서 열을 재분배하므로 복사 강제력에 포함하지 않는다. 그러나 산업 혁명 이전에도 온실 효과의 주된 원인은 대기 중의 물이었으며(약 80%~90%), 대기 중 물에 의한 열 이동은 현재도 명확히 밝혀지지 않은 부분이 많다.
• 과학적 이해 수준이 낮은 요소들이 중요한 복사 강제력을 가질 가능성이 있다. 태양 복사, 태양 이외의 우주로부터의 복사, 지구 내부 활동 등은 알려지지 않은 점이 많으며, 태양 활동이나 지구 내부 변화에 의한 우주선량 증감 등도 복사 강제력일 가능성이 제기되고 있다.
• 기후는 정적인 변화가 아닌 불규칙하게 변화하는 카오스(비선형)적 특성을 가지므로, 평균적인 상태를 기준으로 변화를 파악하는 접근 방식은 과학적으로 적절하지 않을 수 있다. 그러나 지구 온난화로 인한 미래 예측을 위해서는 선형 현상을 다루는 컴퓨터를 사용해야 하는 한계가 있다.

12. 다양한 복사 강제력 요약 (일본어 문서 관련)

IPCC 제4차 평가 보고서에 따르면, 1750년을 기준으로 현재 기후에 작용하는 복사 강제력은 다음과 같다.^[69]

몇몇 온실 기체의 농도 변화와 복사 강제력 변화 관계식($\backslash Delta\; F$: 복사 강제력 (W/m²)):

• C: 이산화 탄소 농도 (ppm)
• M: 메탄 농도 (ppb)
• N: 일산화 이질소 농도 (ppb)
• X: 각 프레온 가스 농도 (ppb)
• C₀, M₀, N₀, X₀: 변화 전 농도

• IPCC (1990) 및 Myhre et al. (1998):

• Shi (1992):

• WMO (1999) 및 Hansen et al. (1988):

참조

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