온실 효과와 지구 복사 수지

모든 물체는 온도에 따라 다른 파장의 전자기파를 내놓습니다. 표면 온도가 약 $6000\mathrm{K}$인 태양은 주로 가시광선 영역의 짧은 파장을, 평균 $288\mathrm{K}$ 정도인 지구는 눈에 보이지 않는 긴 파장의 적외선을 내놓습니다. 전자기파 스펙트럼에서 배운 대로 파장이 다르면 물질과의 상호작용도 완전히 달라지는데, 바로 이 차이가 온실 효과의 핵심입니다.

대기는 파장에 따라 아주 다르게 행동합니다. 가시광선은 거의 그대로 통과시켜 지표까지 도달하게 하지만(그래서 낮에 밖이 밝습니다), 수증기·이산화 탄소·메테인 같은 기체는 적외선을 잘 흡수합니다. 지표가 데워져 적외선을 내놓아도 상당 부분이 대기에 붙잡혀 다시 지표로 되돌아옵니다. 지표는 태양에서 직접 받는 에너지에 더해 대기가 되돌려 준 에너지까지 받으므로, 대기가 없을 때보다 훨씬 따뜻해집니다. 이것이 온실 효과입니다. 온실 효과가 전혀 없다면 지구의 복사 평형 온도는 약 $-18{}^{\circ }\mathrm{C}$가 되어 바다가 얼어붙습니다. 실제 지구 평균 기온이 약 $15{}^{\circ }\mathrm{C}$인 것은 온실 효과 덕분입니다.

다만 대기가 적외선을 전부 붙잡는 것은 아닙니다. 파장 $8\sim 12\mu \mathrm{m}$ 부근의 적외선은 주요 온실 기체가 잘 흡수하지 않아 그대로 우주로 빠져나가는데, 이 파장 구간을 '대기의 창'이라고 부릅니다. 기상 위성이 밤에도 구름과 지표 온도를 볼 수 있는 것이 이 창 덕분입니다.

지구 전체로 보면 들어오는 태양 복사에너지와 나가는 지구 복사에너지가 같습니다(복사 평형). 태양 복사를 100이라 하면 약 30은 구름과 지표에서 곧바로 반사되어 되돌아가고, 나머지 70이 대기와 지표에 흡수된 뒤 결국 적외선으로 우주에 방출됩니다. 그런데 이 균형은 '지구 전체'에서만 맞습니다. 위도별로 보면 저위도는 흡수가 방출보다 많아 에너지가 남고, 고위도는 방출이 많아 부족합니다. 그런데도 저위도가 끝없이 더워지지 않는 이유는 대기와 해양의 순환이 남는 열을 고위도로 실어 나르기 때문입니다 — 대기 대순환과 해류가 존재하는 근본적인 이유가 여기에 있습니다. 한편 흡수된 태양 에너지 가운데 아주 작은 일부는 광합성을 통해 화학 에너지로 저장되어 생태계 전체를 굴립니다.