10統통科과2-02-03 • 溫室效果온실효과와 地球지구 環境환경 變化변화

■ 10統통科과2-02-03: 溫室效果온실효과 强化강화로 因인한 地球溫暖化지구온난화의 메커니즘을 理解이해하고, El Niño엘니뇨, 沙漠化사막화 等등과 같은 現象현상이 地球지구 環境환경과 人間인간 生活생활에 미치는 影響영향과 對處대처 方案방안을 分析분석할 수 있다.

地球溫暖化지구온난화

地球지구의 輻射平衡복사평형

地球지구는 太陽태양으로부터 끊임없이 에너지를 받습니다. 그런데도 平均평균 氣溫기온이 계속 올라가기만 하지 않는 까닭은 받은 만큼의 에너지를 다시 宇宙우주로 내보내기 때문입니다.

地球지구가 吸收흡수하는 太陽태양 輻射복사 에너지와 宇宙우주로 放出방출하는 地球지구 輻射복사 에너지가 장기적으로 같아진 狀態상태를 輻射平衡복사평형이라고 합니다.

들어오는 太陽태양 輻射복사 에너지를 100이라고 하면 約약 30은 구름, 大氣대기, 地表지표에서 反射반사되어 宇宙우주로 돌아갑니다. 들어온 輻射복사 가운데 反射반사되는 比率비율을 albedo알베도라고 합니다.

나머지 約약 70은 大氣대기와 地表지표에 吸收흡수됩니다. 地球지구가 이 에너지를 계속 쌓아 두면 氣溫기온이 끝없이 올라가야 하므로, 장기적인 平衡평형 狀態상태에서는 같은 量양의 에너지가 赤外線적외선의 形態형태로 宇宙우주에 방출됩니다.

太陽태양은 表面표면 溫度온도가 매우 높기 때문에 可視光線가시광선을 비롯한 비교적 짧은 波長파장의 輻射복사를 많이 방출합니다. 地球지구는 훨씬 차갑기 때문에 주로 긴 波長파장의 赤外線적외선을 방출합니다. 이 波長파장 差異차이가 溫室效果온실효과를 이해하는 출발점입니다.

溫室效果온실효과

水蒸氣수증기, 二酸化炭素이산화탄소, 메테인과 같은 溫室氣體온실기체는 모든 波長파장의 빛을 똑같이 吸收흡수하지 않습니다. 太陽태양 輻射복사에서 큰 比重비중을 차지하는 可視光線가시광선은 비교적 잘 통과시키지만, 地表지표가 내보내는 일부 赤外線적외선 波長帶파장대는 강하게 吸收흡수합니다.

地表지표에서 방출된 赤外線적외선을 溫室氣體온실기체가 吸收흡수하면 大氣대기가 따뜻해집니다. 따뜻해진 大氣대기도 다시 모든 方向방향으로 赤外線적외선을 방출하며, 그 가운데 일부는 地表지표를 향합니다. 地表지표는 太陽태양에서 직접 받은 에너지와 大氣대기에서 내려오는 赤外線적외선 에너지를 함께 받게 됩니다.

이를 溫室效果온실효과라고 합니다.

溫室效果온실효과는 生命생명이 살아가는 데 필요한 自然자연 現象현상입니다. 大氣대기가 地球지구 輻射복사를 전혀 吸收흡수하지 않는다고 假定가정하면 地球지구의 平均평균 表面표면 溫度온도는 約약 $-18^\circ\mathrm{C}$로 計算계산됩니다. 實際실제 平均평균 表面표면 溫度온도는 約약 $15^\circ\mathrm{C}$이므로 自然的자연적 溫室效果온실효과가 地表지표를 約약 $33^\circ\mathrm{C}$ 더 따뜻하게 유지하는 셈입니다.

問題문제는 人間인간 活動활동으로 溫室氣體온실기체의 濃度농도가 빠르게 증가하는 데 있습니다.

溫室氣體온실기체가 늘어나면 大氣대기가 地球지구 輻射복사를 더 많이 吸收흡수하므로, 기존 氣溫기온에서는 宇宙우주로 빠져나가는 에너지가 들어오는 에너지보다 적어집니다. 地球지구에 에너지가 쌓이면서 氣溫기온이 오르고, 더 따뜻해진 地球지구가 더 많은 赤外線적외선을 방출하게 된 뒤에야 다시 새로운 輻射平衡복사평형이 이루어집니다.

이 過程과정에서 올라간 地球지구 平均평균 氣溫기온이 地球溫暖化지구온난화의 핵심입니다.

溫室氣體온실기체

主要주요 溫室氣體온실기체에는 水蒸氣수증기, 二酸化炭素이산화탄소, 메테인, 亞酸化窒素아산화질소 등이 있습니다.

水蒸氣수증기와 $CO_2$의 役割역할은 구별해야 합니다. 人間인간이 水蒸氣수증기 濃度농도를 직접 크게 조절하는 것이 아니라, $CO_2$ 等등으로 氣溫기온이 올라가면 蒸發증발이 늘고 大氣대기가 더 많은 水蒸氣수증기를 품으면서 溫暖化온난화를 더욱 키웁니다. 따라서 水蒸氣수증기는 주로 氣候기후 變化변화를 增幅증폭하는 되먹임으로 다룹니다.

地球지구의 熱열 循環순환

地球지구 全體전체로는 輻射平衡복사평형이 이루어지더라도 모든 緯度위도에서 각각 平衡평형인 것은 아닙니다.

低緯度저위도에서는 太陽태양 빛이 地表지표에 가깝게 垂直수직으로 들어오므로 같은 量양의 에너지가 좁은 面積면적에 모입니다. 高緯度고위도에서는 빛이 비스듬히 들어오므로 같은 에너지가 넓은 面積면적에 퍼집니다.

그 결과 低緯度저위도에는 에너지 剩餘잉여가 생기고 高緯度고위도에는 에너지 不足부족이 생깁니다. 이 差異차이를 줄이기 위해 大氣대기와 海洋해양이 熱열을 低緯度저위도에서 高緯度고위도로 옮깁니다.

大氣大循環대기대순환

地球지구가 自轉자전하지 않는다고 假定가정하면 赤道적도에서 데워진 空氣공기가 上昇상승하여 高緯度고위도로 이동하고, 極地方극지방에서 식어 下降하강한 뒤 다시 赤道적도로 돌아오는 단순한 循環순환을 생각할 수 있습니다.

그러나 地球지구는 自轉자전합니다. 自轉자전하는 地球지구에서 움직이는 空氣공기는 北半球북반구에서는 進行方向진행방향의 오른쪽, 南半球남반구에서는 왼쪽으로 휘어 보입니다. 이를 轉向力전향력의 效果효과라고 합니다.

여기서는 北半球북반구를 基準기준으로 살펴보겠습니다.

赤道적도 附近부근은 강하게 데워져 空氣공기가 上昇상승합니다. 地表지표의 氣壓기압은 낮아져 赤道低壓帶적도저압대가 만들어집니다.

上昇상승한 空氣공기는 上層상층에서 高緯度고위도 쪽으로 이동합니다. 약 30° 附近부근에서는 식고 下降하강하여 亞熱帶高壓帶아열대고압대를 형성합니다.

이 空氣공기의 일부가 地表지표를 따라 다시 赤道적도로 흐르며 轉向力전향력 때문에 北東북동쪽에서 불어오는 바람으로 나타납니다. 이것이 北東貿易風북동무역풍입니다. 赤道적도와 30° 사이의 이 循環순환을 Hadley해들리 循環순환이라고 합니다.

極地方극지방에서는 차갑고 密度밀도가 큰 空氣공기가 下降하강해 極高壓帶극고압대를 만듭니다. 地表지표에서 低緯度저위도 쪽으로 흐르는 바람은 轉向力전향력 때문에 東風동풍 成分성분을 띠며, 이를 極東風극동풍이라고 합니다.

약 60° 附近부근에서는 차가운 極地方극지방 空氣공기와 상대적으로 따뜻한 中緯度중위도 空氣공기가 만나 上昇상승하기 쉬워 寒帶前線帶한대전선대가 형성됩니다. 60°와 極극 사이의 循環순환이 極循環극순환입니다.

30°와 60° 사이에는 Ferrel페렐 循環순환이 자리합니다. Hadley해들리 循環순환이나 極循環극순환처럼 加熱가열과 冷却냉각이 직접 만들어 내는 循環순환이라기보다, 中緯度중위도의 低氣壓저기압과 高氣壓고기압, 偏西風편서풍의 活動활동과 맞물려 유지되는 間接循環간접순환입니다.

上昇氣流상승기류가 발달하는 곳에서는 空氣공기가 위로 빠져나가 地表지표 氣壓기압이 낮아지고, 下降氣流하강기류가 발달하는 곳에서는 空氣공기가 地表지표 쪽으로 모여 氣壓기압이 높아집니다.

上昇상승하는 空氣공기는 膨脹팽창하며 식어 水蒸氣수증기가 凝結응결하기 쉬우므로 降水강수가 많습니다. 下降하강하는 空氣공기는 壓縮압축되며 따뜻해져 相對濕度상대습도가 낮아지므로 맑고 건조한 날씨가 나타나기 쉽습니다.

海水해수의 循環순환

海洋해양도 低緯度저위도의 熱열을 高緯度고위도로 옮깁니다.

바람이 바다 表面표면에 힘을 가하여 만드는 큰 海流해류 體系체계를 表層循環표층순환이라고 합니다. 貿易風무역풍과 偏西風편서풍이 그 主要주요 原動力원동력입니다.

熱帶열대에서는 貿易風무역풍이 東동쪽에서 西서쪽으로 불어 表層표층 海水해수도 대체로 西서쪽으로 이동시킵니다. 中緯度중위도의 偏西風편서풍은 反對반대 方向방향의 흐름을 만듭니다. 이 海流해류들이 大陸대륙에 막히고 이어지면서 큰 亞熱帶循環아열대순환을 형성합니다.

北半球북반구의 亞熱帶循環아열대순환은 대체로 時計方向시계방향, 南半球남반구에서는 反時計方向반시계방향으로 돕니다.

海水해수의 密度밀도 差異차이도 循環순환을 만듭니다. 水溫수온이 낮아지면 海水해수의 密度밀도가 커지고, 蒸發증발이나 海氷해빙 形成형성으로 鹽分염분이 높아져도 密度밀도가 커집니다. 이렇게 무거워진 海水해수가 高緯度고위도에서 가라앉아 深海심해를 따라 이동하는 흐름이 深層循環심층순환입니다.

表層循環표층순환과 深層循環심층순환은 서로 連結연결되어 海洋해양의 熱열, 酸素산소, 營養鹽영양염을 地球지구 全體전체에 나릅니다.

El Niño엘니뇨

平常時평상시의 熱帶열대 太平洋태평양

熱帶열대 太平洋태평양에서는 北東貿易風북동무역풍과 南東貿易風남동무역풍이 表層표층 海水해수를 西서쪽으로 밀어냅니다.

그 결과 따뜻한 表層水표층수가 Indonesia인도네시아와 濠洲호주 附近부근의 西太平洋서태평양에 모입니다. 西太平洋서태평양은 東太平洋동태평양보다 表層표층 水溫수온이 높고 海水面해수면도 높습니다.

반대로 Perú페루와 Ecuador에콰도르 沿岸연안의 東太平洋동태평양에서는 表層水표층수가 西서쪽으로 이동하면서 그 자리를 아래의 차가운 물이 채웁니다. 이를 湧昇용승이라고 합니다.

깊은 바닷물에는 表層표층에서 가라앉은 營養鹽영양염이 많이 들어 있습니다. 湧昇용승으로 營養鹽영양염이 表層표층에 공급되면 플랑크톤이 번성하고, 이를 먹는 魚類어류도 많아져 Perú페루 沿岸연안에 좋은 漁場어장이 형성됩니다.

따뜻한 西太平洋서태평양에서는 蒸發증발이 활발하고 空氣공기가 上昇상승하여 降水강수가 많습니다. 상대적으로 차가운 東太平洋동태평양에서는 空氣공기가 下降하강하여 건조합니다.

이처럼 熱帶열대 太平洋태평양의 東西동서 方向방향으로 이어지는 大氣대기 循環순환을 Walker워커 循環순환이라고 합니다.

El Niño엘니뇨가 일어나면

El Niño엘니뇨는 赤道적도 中部중부와 東部동부 太平洋태평양의 表層표층 水溫수온이 平年평년보다 높아진 狀態상태가 여러 달 持續지속되는 現象현상입니다.

貿易風무역풍이 약해지면 따뜻한 表層水표층수를 西서쪽으로 밀어 두는 힘도 약해집니다. 西太平洋서태평양에 모여 있던 따뜻한 물이 中部중부와 東部동부 太平洋태평양 쪽으로 퍼지면서 東太平洋동태평양의 表層표층 水溫수온이 상승합니다.

따뜻한 表層水표층수가 두꺼워지면 차가운 深層水심층수가 올라오는 湧昇용승도 약해집니다. 營養鹽영양염 供給공급이 줄어 플랑크톤과 魚類어류가 감소하면서 Perú페루 沿岸연안 漁業어업이 打擊타격을 받을 수 있습니다.

大氣대기의 對流대류 地域지역도 따뜻해진 中部중부·東部동부 太平洋태평양 쪽으로 이동합니다. 그 결과 東太平洋동태평양에서는 降水강수가 늘어 洪水홍수 危險위험이 커지고, Indonesia인도네시아와 濠洲호주 等등 西太平洋서태평양에서는 가뭄과 山火事산불 危險위험이 커질 수 있습니다.

El Niño엘니뇨는 太平洋태평양 地域지역에만 影響영향을 주지 않습니다. 熱帶열대 太平洋태평양은 地球지구 大氣大循環대기대순환과 연결되어 있어 北美북미, 南美남미, 아시아, 아프리카 等등의 降水강수와 氣溫기온에도 遠隔相關원격상관을 일으킬 수 있습니다. 다만 어느 地域지역에 어떤 影響영향이 나타나는지는 El Niño엘니뇨의 强度강도와 時期시기에 따라 달라집니다.

La Niña라니냐와 南方振動남방진동

La Niña라니냐는 El Niño엘니뇨와 반대 方向방향의 偏差편차가 강해진 狀態상태입니다.

貿易風무역풍이 平年평년보다 강해지면 따뜻한 表層水표층수가 西太平洋서태평양에 더 많이 쌓이고, 東太平洋동태평양의 湧昇용승은 강해집니다. 東太平洋동태평양의 水溫수온은 더 낮아지고 西太平洋서태평양의 對流대류와 降水강수는 강해지는 傾向경향이 있습니다.

熱帶열대 太平洋태평양의 東部동부와 西部서부 사이에서 氣壓기압이 서로 반대 方向방향으로 변하는 現象현상을 南方振動남방진동이라고 합니다.

El Niño엘니뇨와 南方振動남방진동은 하나의 海洋해양-大氣대기 결합 現象현상의 두 側面측면이므로, 둘을 합쳐 ENSO(El Niño–Southern Oscillation엘니뇨-남방진동)라고 합니다.

沙漠化사막화

沙漠化사막화는 단순히 기존 沙漠사막의 面積면적이 넓어지는 現象현상만을 뜻하지 않습니다. 건조·반건조 地域지역에서 氣候變動기후변동과 人間인간 活動활동이 겹쳐 土地토지의 生産性생산성과 植生식생이 低下저하되는 現象현상을 말합니다.

沙漠化사막화는 왜 일어나는가

自然的자연적 要因요인으로는 장기간의 가뭄과 降水量강수량 變化변화가 있습니다. 亞熱帶高壓帶아열대고압대의 位置위치가 달라져 下降氣流하강기류가 강해지거나 넓어지면 일부 地域지역의 乾燥건조가 심해질 수 있습니다.

地球溫暖化지구온난화에 따라 Hadley해들리 循環순환이 擴張확장하는 傾向경향은 亞熱帶아열대 乾燥帶건조대의 位置위치와 範圍범위에 影響영향을 줄 수 있습니다. 다만 개별 地域지역의 沙漠化사막화를 이것 하나로 설명해서는 안 됩니다.

人爲的인위적 要因요인에는 過度과도한 耕作경작, 過放牧과방목, 森林伐採삼림벌채, 잘못된 灌漑관개 등이 있습니다.

草地초지에 가축이 지나치게 많으면 植物식물이 다시 자라기 前전에 뜯겨 植生식생이 줄어듭니다. 裸地나지가 늘면 비와 바람에 土壤토양이 쉽게 깎여 나갑니다.

건조 地域지역에서 灌漑관개를 잘못하면 鹽類염류가 地表지표에 쌓이는 土壤鹽類化토양염류화가 일어날 수도 있습니다. 蒸發증발은 강하지만 비가 적어 土壤토양 속 鹽類염류가 씻겨 내려가지 못하기 때문입니다. 鹽類염류 濃度농도가 높아지면 作物작물이 자라기 어려워집니다.

沙漠化사막화의 影響영향

植生식생이 줄면 土壤토양을 붙잡아 주는 뿌리가 사라져 土壤浸蝕토양침식이 심해집니다. 土壤토양의 有機物유기물과 水分수분이 감소하면서 土地토지의 生産性생산성도 떨어집니다.

농작물과 牧草목초의 生産생산이 감소하면 食糧식량 不足부족과 所得소득 減少감소로 이어질 수 있습니다. 물을 얻기 어려워지고 生活생활 基盤기반이 무너지면 다른 地域지역으로의 移住이주도 늘어날 수 있습니다.

건조한 土壤토양이 바람에 날리면 먼지와 모래 暴風폭풍도 심해집니다. 東亞동아시아의 黃砂황사 역시 發源地발원지의 乾燥건조 狀態상태, 土壤토양 狀態상태, 바람 條件조건의 影響영향을 받습니다.

植生식생 減少감소는 炭素탄소 吸收흡수 能力능력을 낮출 수도 있습니다. 土壤토양에 저장되던 炭素탄소가 줄거나 大氣대기로 방출되면 氣候變化기후변화를 더 키우는 方向방향으로 作用작용할 수 있습니다.

對處대처 方案방안

氣候變化기후변화와 沙漠化사막화는 한 國家국가의 領域영역 안에서만 끝나지 않습니다. 溫室氣體온실기체는 大氣대기를 따라 퍼지고, 沙漠化사막화로 생긴 먼지와 食糧식량 問題문제, 移住이주도 國境국경을 넘어 影響영향을 줍니다. 따라서 國際協力국제협력이 필요합니다.

氣候變化기후변화에 對應대응하는 方法방법은 크게 緩和완화와 適應적응으로 나눌 수 있습니다.

緩和완화는 溫室氣體온실기체 排出배출을 줄이거나 吸收흡수을 늘려 氣候變化기후변화의 程度정도를 줄이는 方法방법입니다. 再生可能재생가능 에너지 擴大확대, 能源效率에너지효율 向上향상, 森林삼림 保全보전, 造林조림, 炭素捕集탄소포집·貯藏저장·活用활용 技術기술 등이 이에 해당합니다.

炭素中立탄소중립은 人間인간 活動활동에서 나오는 溫室氣體온실기체 排出量배출량과 吸收흡수·除去제거되는 量양을 맞추어 實質실질 排出量배출량을 0에 가깝게 만드는 것을 뜻합니다.

適應적응은 이미 일어나고 있거나 앞으로 피하기 어려운 氣候變化기후변화의 被害피해를 줄이는 方法방법입니다. 洪水홍수 對備대비 施設시설, 가뭄에 강한 作物작물, 熱波열파 對應대응 體系체계, 海岸해안 防災방재 施設시설, 물 管理관리 등이 여기에 들어갑니다.

沙漠化사막화에 對應대응하려면 植生식생을 단순히 심는 데서 끝내지 않고 土地토지를 다시 황폐하게 만드는 原因원인을 함께 줄여야 합니다. 過放牧과방목을 줄이고 土壤토양을 保全보전하며, 灌漑관개 方法방법을 개선하고, 防風林방풍림과 防沙林방사림을 조성하며, 훼손된 草地초지를 復元복원해야 합니다.

個人개인의 行動행동도 能源에너지와 交通교통 需要수요를 줄이는 方向방향에서는 意味의미가 있습니다. 大衆交通대중교통과 自轉車자전거 利用이용, 冷暖房냉난방 能源에너지 節約절약, 음식물과 製品제품 浪費낭비 減少감소 등이 가능합니다. 다만 地球規模지구규모의 排出量배출량을 줄이려면 個人개인의 實踐실천과 함께 能源에너지, 産業산업, 交通교통, 土地利用토지이용 體系체계의 變化변화가 함께 이루어져야 합니다.