인력과 열

인력과 열

중력(重力)

어떤 물체가 지표에 머물러 있는 것은 지구와 그 물체 사이에 만유인력 (gravitation)이 작용하기 때문이다. 지구와 지구 주위의 물체에 미치는 만유인력이 바로 중력 (gravity) 이다. 물질이 낮은 곳으로 이동하는 것도 중력의 작용에 의한 것이다. 자전하는 지구의 원심력(遠心力)은 적도(赤道)에서 가장 크게 작용한다. 중력은 지구의 만유인력에서 원심력에 해당하는 힘을 뺀 것이므로 적도에서의 중력은 극(極)에서 보다 작다. 양극(兩極)에서 189 gr 인 물체는 적도에서 188 gr 밖에 안된다.

지구 표면의 육지를 없애고 일정한 깊이의 바다로 덮이게 한다고 하면 이 바다의 표면은 양극 사이가 약간 납작하고 적도가 불어 나온 타원체 (橋圓體)가 될 것이다. 이러한 이상적인 표면을 지오이드 (geoid)라고 한다. 지오이드는 만유인력과 지구 자전에 의한 원심력이 완전한 균형을 이루고 있는 타원체이다. 지구 표면적의 71%를 차지한 해양의 표면은 거의 지오이드에 가깝다.

육지 표면에 내린 비와 눈은 중력으로 지표면의 사면 (斜面)을 따라 흘러서 바다로 들어 간다. 수면(水面)의 높이가 해수준면보다 86m 낮은 캘리포니아의 데스 밸리 (Death Valley), 392 m가 낮은 사해(死海 : Dead Sea)도 있지만 물을 더 낮은 곳까지 흘러 내리게 한다.

 

 

다른 천체의 인력

지구에 제일 가까운 천체인 달의 질량 (質量)은 지구의 1/8에 불과하지만 지구에 큰 힘을 미친다. 달과 지구의 공동 중심(共同重心)은 지구 속에 있으며 해수준면(海水準面) 아래 약 1,600 km 에 있다. 태양은 질량이 대단히 크지만 먼 곳에 있기 때문에 그 인력은 달의 그것의 46%에 불과하다. 달과 태양의 인력은 바닷물과 지각에 조석(潮)을 일으킨다. 지각에는 30 cm 의 조석이 일어나는 것으로 계산되어 있다. 바다에서 일어나는 조석은 바다의 파도가 육지를 깎는 범위를 넓혀 주므로 중요하며 썰물과 밀물 사이, 즉 조간대 (潮間帶 : tidal zone) 에 사는 생물을 살게 하는 점에서 중요하다. 

 

 

지구의 열류출(熱流出)

지구 내부의 열은 지구 밖으로 방출되며 그 열류출량 (heat flow)은 1 cm² 마다 1.5×10-6 cal/sec, 또는 1년에 40 cal 이다. 이 열량(熱量)은 1년에 두께 0.5 cm 인 얼음 (0°C)의 층(層)을 녹일 수 있음에 불과하다. 이는 태양광선이 지구에 보내는 평균 열량의 1/4, 000 에 불과하며 적도 부근의 사막에 내리쬐는 태양 열량의 1/17, 000 에 불과하다. 그러나 화산(火山)과 같이 국부적으로는 다량의 지열을 유출하는 지대가 있다. 또한 온도가 0°C인 빙하는 지열 때문에 빙하 밑바닥의 얼음이 1년에 0.5 cm 녹음으로써 빙하 밑의 흙이 물을 머금게 하여 빙하의 흐름을 활발하게 하여 주고, 이로 인한 지면(地面)의 침식을 촉진시킨다.

 

 

태양의 열

는 지구가 태양으로부터 받은 열량은 지구와 지름이 같은 원판이 대양의 직사광선을 받을 때의 열량과 같으며 이 평면의 1cm²의 면적이 받는 열량은 매분(每分) 2 cal 이다. 그러나 지구의 표면적은 지축(地軸)을 포함한 단면 (斷面)의 4배이므로 1cm²의 지표면(地表面)이 받는 열량은 매분에 평균 0.5 cal 이다. 지구에 도달하는 복사 (幅射)에너지 의 35% 중 그 2/3는 구름에서, 나머지 1/3은 대기 중의 먼지와 안개 및 지표에서 반사되어 우주 공간으로 달아나 버린다. 65%의 복사 에너지는 공기·흙· 암석 · 물에 의하여 흡수되나 결국에는 다시 긴 파장(波長)의 열선(熱線)으로 변하여 공간으로 방출된다. 지질시대를 통하여 지구는 식어 가고 있으므로 매년 받아들이는 태양의 열과 지구 내부의 열은 모두 방출되어 버린다고 생각해야 한다.

대기 중의 오존(O) · 수증기 (H.O) · 이산화탄소(CO)는 태양의 복사 에너지를 선택적(選擇的)으로 흡수한다. 오존은 지상 약 50 km 의 상공에서 오존층을 형성하고 자외선 (紫外線)의 대부분을 흡수하며, 그곳의 대기는 0°C에 가까와진다. 50 km 보다 더 높은 곳과 더 낮은 곳의 기온은 -60°C 이다. 대기권 하부에서는 수증기와 이산화탄소가 적외선 (赤外線)의 일부를 흡수한다. 그리하여 대기를 뚫고 지표에 도달하는 태양광선의 대부분은 가시광선 (可視光線)과 이에 가까운 적외선 및 자외선으로 되어 버린다.

해양 표면에 도달한 태양 에너지 중 적외선은 곧 해면하(下) 수mm 사이에서 흡수되어 열로 변한다. 가시광선 중 청록색은 가장 깊이 들어가지만 모든 광선은 해면하 100 m 까지에서 모두 흡수되어 열로 변한다.

토양이나 돌로 된 지면에 도달한 태양의 에너지는 흡수가 물보다 비효율적 (非效率的)이다. 암석은 가시광선을 거의 통과시키지 않으므로 태양광선은 그 표면에서 일부가 반사되고 나머지는 열로 변한다. 암석은 물보다 열 전도율(傳導率)이 크지만 대류(對流)를 일으키지 못하므로 암석 속으로 깊이 전해지지 못하고 겉에만 집중되어 암석을 뜨겁게 만든다.