온실 효과(green house effect)

온실 효과(green house effect)

우리 시각으로는 대기가 가시광선 파장(visible wave-length)에 투명함을 보이나 대기는 다른 파장에서도 투명한지는 얘기하지 못한다. 대기의 상부층에서 오존(ozone, O3)은 자외선 파장에 불투명 (opaque)하여 통과를 차단하고 하부층에서 물(H2O)과 탄산가스(CO2) 분자는 저층 대기를 적외선(infrared)범위의 대부분 복사파를 통과시키지 않는 불투명 층이 형성하게 한다. 이는 입력되는 총 태양복사에 대해서 많은 영향을 나타내지 않는다(왜냐하면 대부분이 보이기 때문이다. 즉, 가시광선 범위이다).

 

실제로 적외 자외선의 어떤 것은 차단될 것이나 이들은 태양복사의 단지 적은 성분이다. 이들 대부분은 아무런 문제없이 대기를 통과한다 (구름에 의한 간섭을 제외하고). 그러나 지구의 복사가 외계로 보내는 것은 다른 문제이다. 대기는 (CO2와 H2O에 의한) 적외선을 차단한다. 지구복사 (earth radiation)는 방출하려 노력하는 실질적인 어려움을 갖는다.

해양의 표면으로부터 복사된 에너지는 통과되기 전에 대기의 수분에 의해서 또는 탄산분자에 의해서 빠르게 흡수되어질 좋은 기회이다. 이 분자들이 재 방출될 때 어떤 방향으로도 진행되며 해양방향, 외계방향이 50:50의 비율을 갖는다. 이 상황이 진행되면 지표면으로부터 방출된 적외선 복사는 외계로 나가는데 곤란하게 된다. 이경우 대기는 내부에 열을 가두려 하는 'blanket' 역할을 하고 지구표면을 점점 덥게 하여 지표면의 온도를 상승시킨다. 이 같은 작용을 온실효과 (green house effect)라 한다. 온실과 똑같은 역할을 하기 때문에 명한 것이다. 온실유리는 태양복사가 유입되는데는 투명하고 적외선이 방출되는 데는 불투명하여 내부를 덥게 한다. 이들 원인은 화석연료(fossil fuels)에 의한 대기의 오염, CO2양의 증가이다. 많은 탄산가스는 적외선에 불투명한 대기를 만들게 된다. 이에 따라 온도가 상승하게 된다. 이를 해결하기 위해선 식물(plant life)의 광합성(photosynthesis)에 의하여 CO2를 제거하고 산소(O2)를 생산하는 것이다.

 

 

빙하와 빙하시대 (ice and ice age)

100℃에서 물 1g를 증발시키는데 540cal과 물 1g를 1℃ 높이는데, 1cal이 요구된다. 이는 얼음 lg를 0℃에서 녹이는 데 필요한 열이다. 빙하 용해의 잠열(latent heat of fusion)은 80cal/g이다. 그리하여 물의 온도를 freezing에서 boiling으로 올리는 데에 걸리는 것 보다 0℃에서 빙하를 녹이는 데에 약간 적은 열이 필요하다. 물론, 얼음을 얼리기 위해서 열의 양은 제거되어야 한다. 지구의 가장 추운 곳에서도 해빙은 아주 두껍게 얼지 않는다. 한가지 이유는 너무 많은 열의 제거를 요구하기 때문이다.

빙하는 좋은 절연체 (insulator)이다. 그것은 부동한다. 결과적으로, 해양은 빙하로 덮여 있고, 대기를 데우는 것을 멈추기 때문에 온도는 매우 차갑게 될 수 있다. 북극 빙하(arctic ice cap)아래의 바다는 대기에 많은 열을 잃지 않는다. 아주 추운 겨울에도 2m이상 되지 않는다. 북대서양 항로를 위협하는 빙하의 움직임의 요인은 보다 큰 온도 변동과 보다 많은 강수량(precipitation)이라 간주된다. 이는 육지에서 이동되어 넓은 판을 이룬다. 이 같은 변화의 요인으로는 다음과 같은 3가지가 있다.

 

1. 다른 위성에 의한 중력 요동(gravitation perturbation)
2. 세차운동(precession of the equinoxes)
3. 지구 축의 타원형 (ellipticity)

 

이 요인들은 거대한 빙하 편상을 오고가게 하므로 지구온도 기온에 큰 영향을 준다. 다른 요인은 빙하시기(ice age)의 원심력이다. 빙하시대가 오고가는 것을 조정하는 것은 입사 태양복사의 굴절 흡수에 달려있다. 해양은 대부분을 흡수하고, 빙하는 반대로 약80%를 반사한다. 결과적으로 빙하로 덮인 지역은 태양가열을 감소시키고, 반대지역에서 (빙하에 덮이지 않은 지역)는 보다 온난하고 빙하는 자유롭게 된다. 빙하시대는 해수면에 큰 영향을 준다. 전형적으로 해수면이 100m 이상 하강하였고, 대륙붕의 대부분이 노출되었다. 해수면에서 'eustatic change'를 결정하는 것은 매우 어렵다. 한 해안선에서 하강하는 반면 다른 해안선은 상승할 수 있다. 어떤 시기에는 해수면의 측정은 어떤 해안선(coastline)이 참고로 사용되었는지에 따라서 서로 다른 해답을 낳는다. 결국, 많은 기간동안 육지와 상대적으로 해수면 변화의 측정은 보다 어렵다. 바로 지각의 상하운동 때문이다. 지각의 지각평형조정 (isostatic control)이 복잡한 하나의 문제이다. 실례로 150m 깊이의 바다가 빠른 빙하시기에 제거되었다하면 그것은 해양지각이 맨틀 속으로 들어갈 만한 큰 힘이 되지 않는다. 결국, 지각은 맨틀 위로 떠오른 것이다.

제거된 물의 3m당 1m의 비율로 즉, 제거된 해수면의 깊이가 150m일 때 육지에 상대적으로 100m 하강이 단지 측정된다. 지각은 50m 상승하였기에 얻어진 결과이다(만약 지각의 지각평형 재조정이 동일하고 빠른 경우에).

다른 문제는 제거된 물의 대부분이 온대 또는 고위도 지역에서 대륙에 거대한 빙상편(sheet)으로 퇴적되었다. 이들 추가무게 (addition mass)는 맨틀 내로 파고 들어간다. 예로써 3km두께의 빙하가 있다면 지각 아래로 1km 아래로 파고 내려간다. (빙하무게: 지각의 무게가 3:1을 고려해서), 이들은 Green Land의 경우이고 내부지역의 대부분은 해수면 아래에 실제로 육지면을 갖는다. 빙하가 오고감에 따라서 대륙의 모든 부분은 똑같은 양이나 동일(同一)한 비율로 조정되지 않았다. 육지에 비해서 해수면의 과거 변화를 결정하는 것은 어려운 일이 된다.

이런 어려움에도 불구하고 최근 해수면 변화의 역사를 결정하는 시도를 하였다. 이 같은 해수면 변화는 시간과 장소에 따라서 상대적으로 다르다. 현재 해수면 보다 상부(上部)에서, 그러나 대륙붕이 아닌 곳에서 지난 빙하시대의 relict beach'을 발견하였다. 이는 간 빙하기에 지각이 융기하였음을 시사한다. 정상적으로는 현재 해수면보다 아래에 서 나타나야 한다.

현재의 해수면은 6,000년 이래로 안정되어 남극과 북극의 변화에도 전체적인 변화는 없다. 단지, 기온의 상승에 의한 남극빙하의 역할이 고려할 대상일 것이다. 과거의 기온 변화는 빙하시대를 초래하고 이는 해수면의 결정적인 역할을 했다. 지구의 특성 하나는 고체, 액체, 기체의 3가지 위상이 존재하고 가스나 액체의 유동은 지구의 기상을 적절히 좌우할 수 있다. 과거 빙하에 대한 흔적은 퇴적물에 나타난다. 지역적인 분포(온도에 따른), 해수의 특성 등이 있다. 생물상(相)에 의한 다양성, 화학적 특성이 빙하기 역사의 지시자에 해당될 것이다.