[일상외전] 이산화탄소와 온실효과
[일상외전] 이산화탄소와 온실효과
  • 박정규 케네소 주립대 기계공학과 부교수
  • 승인 2023.12.15 09:02
  • 댓글 0
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지구가 태양복사 에너지를 흡수해서 적외선으로 열을 방출한다. 적외선의 일부는 이산화탄소 같은 온실효과를 일으키는 분자들에 의해 재흡수 되고 열에너지로 지구 표면으로 재방출해서 지구 표면온도를 더 높히게 된다. [그래픽=굿모닝충청]
지구가 태양복사 에너지를 흡수해서 적외선으로 열을 방출한다. 적외선의 일부는 이산화탄소 같은 온실효과를 일으키는 분자들에 의해 재흡수 되고 열에너지로 지구 표면으로 재방출해서 지구 표면온도를 더 높히게 된다. [그래픽=굿모닝충청]

[박정규 케네소 주립대 기계공학과 부교수] 이산화탄소는 왜 온실효과를 일으키는 걸까?

기후위기나 지구온난화, 혹은 탄소규제에 관한 뉴스를 거의 매일 접하다시피 하면서도 정작 이산화탄소가 왜 온실효과를 일으키는지에 대해서는 과학자이거나 과학에 어지간한 관심이 있지 않는 한 알기가 어렵다.

이산화탄소로 인한 온실효과를 이해하기 위해서는 먼저 어떠한 물체가 뜨거워지면 빛의 형태로 에너지가 방출된다는 사실을 알아야 한다.

예를 들어 섭씨 약 6000도의 태양은 인간의 눈으로 볼 수 있는 빛, 즉 가시광선과 우리 눈으로 볼 수 없는 자외선이나 적외선 등 다양한 빛들을 뿜어내고 있다. 신기한 것은 이 다양한 빛들 중에서 0.4에서 0.8 마이크로미터에 이르는 파장을 갖고 있는 가시광선이 태양에서 오는 에너지의 거의 절반을 차지한다는 사실이다.

우리 눈이 태양에서 오는 여러종류의 빛들 중 가장 큰 에너지를 차지하는 이 짧은 파장의 가시광선을 가장 잘 분별할 수 있도록 진화되었다는 사실은 매우 신비로운 일이다. 이러한 태양 에너지는 지구 대기를 뚫고 들어와 지구 표면을 가열한다. 모든 온도를 가진 물체가 에너지를 빛의 형태로 방출하듯, 가열된 지구 표면 또한 나름의 에너지를 빛의 형태로 방출한다.

하지만 약 섭씨 20~30도에 불과한 지구표면은 태양과 달리, 10에서 15 마이크로미터의 긴 파장을 갖는 적외선의 형태로 에너지를 뿜어낸다.

요약하면, 태양에서 지구로 도달하는 에너지는 가시광선에 해당하는 짧은 파장을 갖는 반면, 지구 표면에서 방출되는 에너지는 우리가 적외선이라고 부르는 10에서 15 마이크로미터의 긴 파장을 갖고 있다.

이산화탄소 (CO2) 분자는 고유진동수에 맞는 적외선 복사를 흡수해서 진동하며 그 에너지의 일부는 지구표면으로 재방출된다. 이는 차례로 열로 변환되어 대기의 하층을 더 따뜻하게 한다. [Animation image credit=Yannick Schillinger]
이산화탄소 (CO2) 분자는 고유진동수에 맞는 적외선 복사를 흡수해서 진동하며 그 에너지의 일부는 지구표면으로 재방출된다. 이는 차례로 열로 변환되어 대기의 하층을 더 따뜻하게 한다. [Animation image credit=Yannick Schillinger]

자 이제 대기 중의 이산화탄소를 생각해보자. 이산화탄소 분자는 중심에 탄소 원자를 두고 두 개의 산소 원자가 날개처럼 매달려 있다. 산소원자와 탄소원자 사이는 마치 그 사이에 용수철이 연결된 것 마냥 같이 진동을 하고 있다. 여기서 한가지 알아야 할 점은 우주에 존재하는 모든 진동하는 시스템은 고유진동수라는 것을 갖고 있다는 것이다.

예를 들어, 그네를 밀어줄 때, 타이밍을 잘 맞추어 힘을 가하면, 적은 힘으로도 그네를 크게 흔들 수 있음을 경험해 보았을 것이다. 이는 우리가 그 그네의 고유진동수에 맞는 타이밍으로 힘을 주어서 우리 손의 에너지가 그네에 굉장히 효율적으로 전달되었기 때문이다.

우주의 모든 시스템은 그 고유진동수에 맞는 진동 특성을 갖는 에너지가 도달하면, 그 에너지를 효율적으로 흡수하여 더욱 크게 진동하게 된다. 이러한 현상을 공명이라 한다. 이산화탄소 또한 고유진동수에 맞는 에너지를 받으면 그 에너지를 쉽게 흡수하여 크게 진동하게 되는데 하필이면 이산화탄소의 고유진동수가 10에서 15 마이크로미터의 긴 파장에 해당한다는 것이다.

따라서 가열된 지구 표면에서 출발한 긴 파장의 적외선이 이산화탄소 분자에 도달하면, 대부분의 에너지가 쉽게 흡수 저장되어 이산화탄소 분자의 진동을 크게 강화시킨다.

이렇게 저장된 에너지는 시간이 지나면 다시 모든 방향으로 방출되는데 그 중 일부는 다시 지구 표면을 향해 방출되어 대기의 온도를 더욱 상승시키는 효과를 가져온다. 이것이 이산화탄소가 온실효과를 가져오는 원리이다.

온실효과는 근본적으로 우리에게 이로운 것이다. 만약 온실효과가 없었다면, 지구는 생명체가 살아남을 수 없을 정도로 추운 곳이 되었을 것이다.

하지만 화석 연료의 연소 등 인간의 활동으로 인해 대기 중의 이산화탄소 농도가 평형 상태를 깨뜨릴 정도로 증가되었고, 이것이 지구 온난화로 이어진 것이다. 물론 탄소 배출 증가로 인한 지구 온난화가 바로 내일 큰 재앙을 가져오지는 않겠지만, 우리는 갑작스러운 태풍, 가뭄, 그리고 홍수와 같은 자연재해를 더욱 자주 보게 될 것이다.

바다는 점점 더 산성화되어 해양 생태계의 붕괴가 가속될 것이고 해수면은 계속 상승할 것이다. 무엇보다, 지금 이산화탄소 배출을 줄이기 시작하는 것이 미래에 발생할 회복 불가능한 피해와 비용을 고려할 때, 훨씬 지혜롭고 경제적인 선택임에 틀림없다.

박정규 케네소 주립대 기계공학과 부교수
박정규 케네소 주립대 기계공학과 부교수

올해 초 이산화탄소의 온실효과를 부정하는 반지성주의적 주장에 대해 팩트체크를 하는 USA투데이의 기사를 보고 웃음이 났던 적이 있다.

이러한 주장은 대중과의 소통에 실패한 학계의 책임일 수도 있겠다. 이 글이 이산화탄소 증가로 인한 기후위기의 과학적 근거를 이해하는 데 조금이라도 도움이 되길 바란다.


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