온실가스만 왜 온실효과를 일으키는가?

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대기중에 1%도 안되는 온실가스만 왜 온실효과를 일으키는 것일까요? 

오늘은 이 질문에 대한 답을 설명하려고 합니다.

우주에서 태양에너지는 지구로 끊임없이 들어오고 있습니다.

태양에너지 빛의 형태로 지구에 들어오는 데, 이는 직진으로 지구에 들어오기도 하지만 파도 물결처럼 출렁이면서 지구로 들어옵니다. 과거에는 빛이 입자 형태를 띈 광자(光子, Photon)라는 물질이며, 이 물질이 태양으로 부터 지구로 날라오면서 에너지를 전달하는 것으로 인식했습니다. 그러나 토마스 영(Thomas Young)이라는 과학자의 ‘이중 슬릿 실험’이라는 것을 통해 빛은 파동(波動, wave)의 성질도 동시에 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 이렇게 빛은 입자의 성질을 띄면서, 파동의 성질을 동시에 띄는데 이를 '빛의 이중성'이라고 이야기 합니다.

태양에너지는 무중력의 우주공간에서 에너지를 전달해주는 매개체(매질)가 없이 파동의 형태로 지구로 직접 들어옵니다. 열이나 파동이 매질이 없이 직접적으로 전달되는 형태를 '복사(輻射, radiation)'라고 하기에, 엄밀한 의미에서 태양에너지는 '태양복사에너지'라고 칭합니다. 태양에너지에는 파장의 길이에 따라 적외선, 가시광선, 자외선 등의 형태로 지구에 들어오고 있습니다.

파장에 따른 빛의 이름들 (자료 : 과학하는 인간)

태양복사에너지는 지구에 100% 흡수되지 않습니다.

지구로 들어오는 과정에서 지구에 존재하는 대기와 지표에서 다시 우주로 반사(30%)되기도 하고, 대기와 구름에흡수(20%)되기도 합니다. 그리고 대기권을 뚫고 들어온 태양에너지는 지구에 흡수(50%)되기도 합니다. 운이 좋게 반 정도 지구에 흡수된 태양복사에너지를 이용하여 식물은 광합성을 하고, 만물의 색깔을 식별할 수 있으며, 사람들은 태양광 발전도 합니다. 반대로 지구도 흡수한 만큼의 태양에너지를 적외선의 형태로 지구 밖으로 배출합니다. 모든 물체는 에너지를 다른 파장의 형태로 발생시키는 데, 적외선 열화상 카메라는 이 점에 착안하여 사물의 온도와 사람의 체온을 측정시키는 도구입니다. 

지표에서 우주로 반사되는 태양에너지나 지구가 방출하는 적외선 에너지는 우주로 가는 도중에 대기를 일부 통과하나 대부분은 대기 중의 ‘특정 기체’와 구름에 의해 흡수되거나 사방으로 다시 흩어집니다. 대기와 구름, 그리고 지표면에 흡수된 태양복사에너지 70% 만큼, 지구에서 방출한 적외선의 70%가 다시 우주로 나가서 에너지의 균형이 이루어졌었습니다. 이를 복사평형(radiative equilibrium)이라고 합니다.

그리고 대기중의 ‘특정 기체’들은 우주 밖으로 나가는 지구의 적외선 에너지를 지구에 가두어 두는데, 이 기체들이 지구 대기권에 온실(Greenhouse)과 같이 두루 퍼져서 지구를 감싸고 있습니다. 이 기체들은 지구 에너지가 우주로 나가는 것을 막아 지구의 온도를 높이는 역할을 합니다. 이러한 현상을 ‘온실효과(Greenhouse Effect)’라고 하고, 온실효과를 만드는 특정 기체를 ‘온실가스(Greenhouse gas)’라고 합니다.

복사형형 (자료 : 비상교육)

그런데, 특정 기체만 적외선 에너지를 가두는 것일까요?

이 질문에 대한 해답은 조금 어려울 수도 있으나, 잘 따라오시기 바랍니다. 대기중에서는 질소(N2)가 78%, 산소(O2)가 21% 정도를 차지합니다. 그리고 나머지 1% 중에 아르곤(Ar) 0.93%, 이산화탄소(CO2) 0.03%이 있습니다. 분자의 구조에 따라 적외선을 흡수할 수 있는 기체가 존재하기도 하면서, 적외선을 흡수하지 못하는 기체도 존재합니다.

여러 온실가스 중 이산화탄소(CO2)를 예시로 말씀드리겠습니다. 이산화탄소는 탄소(C) 원자 하나와 산소(O) 원자 두 개로 구성된 분자입니다. 가운데 탄소 원자를 두고, 산소 원자 두 개가 결합(bonding)되어 있는 형태입니다. 그런데 탄소와 산소 원자가 가만히 붙어 있는 게 아니라, 우리가 육안으로는 볼 수 없는 미시의 세계에서 이 분자들은 계속 진동운동을 합니다.

적외선을 가두기 위해서는 분자의 진동운동이 비대칭인 조건을 만족해야 합니다.

예를 들어 아래 그림의 왼쪽 위 첫 번째 그림은 산소 원자가 양쪽에서 동시에 당겼다가 동시에 놓은 운동을 합니다. 동시에 대칭으로 움직일 경우에는 분자는 적외선 에너지를 흡수할 수 없습니다. 지구 대기에 99%를 차지하는 질소(N2)와 산소(O2)는 대칭적인 진동만을 하여 적외선 에너지를 흡수하지 못합니다.

그런데 이산화탄소 분자는 나머지 3개의 그림과 같은 형태의 비대칭적인 진동운동도 합니다. 이러한 비대칭적인 운동이 지구에서 우주로 방출되는 적외선 에너지를 대기중에 가두는 역할을 합니다. 그렇기에 대기중에 이산화탄소를 포함한 온실가스의 농도가 높아질수록 우주로 나가지 못하고 대기중에 갇히는 적외선 에너지가 많아지는 것으로 이에 따라 온실효과는 심해지는 것입니다.

이산화탄소 진동 형태 (자료 : pixabay)