뿌리학습 · 중학 과학탐구
기권의 구조와 복사 평형
지구를 둘러싼 공기의 층을 기권이라고 한다. 기권은 지표에서 위로 올라가면서 네 개의 층으로 나뉜다. 아래에서부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권이다.
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개념 정리
여기서 가장 먼저 잡아야 할 것은 무엇을 기준으로 나누었는가다. 단순히 높이를 잘라 네 등분한 것이 아니다. 높이에 따라 기온이 어떻게 변하는지를 기준으로 나눈다. 올라갈수록 기온이 낮아지다가 어느 지점부터 높아지는 식으로 방향이 바뀌는데, 그 방향이 바뀌는 곳을 경계로 삼는다.
대류권은 가장 아래층으로 높이 올라갈수록 기온이 낮아진다. 아래쪽이 따뜻하고 위쪽이 차가우면 공기가 위아래로 섞이는 대류가 일어난다. 게다가 공기 중 수증기의 대부분이 이 층에 모여 있다. 수증기가 많고 공기의 오르내림과 섞임이 활발하기 때문에 구름이 생기고 비가 내리는 기상 현상이 대류권에서 일어난다. 공기가 섞이는 것만으로 날씨가 만들어지는 것이 아니라 수증기가 함께 있어야 한다는 점을 기억해 두자.
성층권은 그 위층으로 높이 올라갈수록 기온이 높아진다. 왜 반대로 될까. 태양에 가까워져서가 아니다. 성층권에는 오존이 모여 있는 오존층이 있는데, 이 오존이 태양에서 오는 자외선을 흡수하면서 그 부분의 기온이 올라간다. 위쪽이 따뜻하고 아래쪽이 차가우면 공기가 잘 섞이지 않으므로 성층권은 안정된 층이다.
중간권은 다시 높이 올라갈수록 기온이 낮아진다. 위아래 기온 배열 때문에 공기가 섞이기는 하지만 수증기가 거의 없어 구름이나 비 같은 기상 현상은 나타나지 않는다.
열권은 가장 바깥층으로 높이 올라갈수록 기온이 높아진다. 태양 에너지를 직접 받기 때문인데, 공기가 매우 희박해서 우리가 느끼는 따뜻함과는 다르다. 참고로 위쪽 층에도 공기는 있으며 다만 아주 희박하다. 공기의 대부분이 대류권에 모여 있는 것이다.
이제 복사 평형으로 넘어가자. 태양은 지구로 에너지를 계속 보내고 있다. 그런데도 지구의 평균 기온은 크게 변하지 않고 일정하게 유지된다. 계속 에너지를 받는데 왜 끝없이 뜨거워지지 않을까.
지구가 받은 에너지만큼 우주로 내보내고 있기 때문이다. 들어오는 양과 나가는 양이 같아 온도가 일정하게 유지되는 상태를 복사 평형이라고 한다. 여기서 평형이라는 말을 정확히 이해해야 한다. 아무것도 주고받지 않는 멈춘 상태가 아니라, 계속 주고받으면서 양이 같아 균형을 이루는 상태다.
들어온 태양 에너지가 전부 흡수되는 것도 아니다. 일부는 구름이나 지표에서 반사되어 우주로 되돌아가고, 나머지가 대기와 지표에 흡수된다. 그리고 지구도 자신의 온도에 맞는 형태로 에너지를 우주로 내보낸다.
여기서 대기가 하는 일이 중요하다. 지구가 우주로 내보내는 에너지의 일부를 대기 중의 어떤 기체들이 흡수했다가 다시 지표 쪽으로 내보낸다. 그래서 대기가 없을 때보다 지표가 따뜻하게 유지된다. 이 작용을 온실효과라고 하고, 이런 역할을 하는 기체를 온실 기체라고 한다.
온실효과에 대해 반드시 짚어야 할 것이 있다. 온실효과는 나쁜 현상이 아니다. 지구에 원래부터 있는 자연스러운 작용이며, 이것이 없다면 지구의 평균 기온은 생물이 살기 어려울 만큼 낮아진다. 온실효과 덕분에 지금의 기온이 유지되는 것이다.
문제가 되는 것은 이 작용이 지나치게 강해진 경우다. 사람의 활동으로 이산화 탄소와 같은 온실 기체가 늘어나면 대기가 붙잡아 두는 열이 많아진다. 그러면 처음에는 우주로 빠져나가는 양이 줄어 들어오는 양과의 균형이 깨진다. 그리고 지구의 기온이 올라가면서 내보내는 양도 함께 늘어나 다시 새로운 균형에 이르게 되는데, 그 사이에 지구의 평균 기온이 높아진다. 이 현상이 지구온난화다.
정리하면 온실효과는 대기가 열을 붙잡아 두는 작용이고, 지구온난화는 그 작용이 강해져 평균 기온이 올라가는 결과다. 두 말은 같은 뜻이 아니다.
그런데 복사 평형에 대해 한 가지 더 볼 것이 있다. 지구 전체로 보면 들어오는 양과 나가는 양이 같지만, 위도별로 나누어 보면 그렇지 않다.
저위도는 태양 빛을 거의 수직으로 받아 흡수하는 양이 내보내는 양보다 많다. 고위도는 빛을 비스듬히 받아 흡수하는 양이 적어 내보내는 양보다 적다. 저위도는 에너지가 남고 고위도는 모자라는 것이다.
그렇다면 저위도는 해마다 더 뜨거워지고 고위도는 더 차가워져야 한다. 그런데 실제로는 그렇지 않다. 남는 곳에서 모자라는 곳으로 열이 옮겨지고 있기 때문이다. 그 일을 하는 것이 대기와 해수의 순환이다. 지구 규모로 일어나는 대기의 순환을 대기 대순환이라고 하며, 위도 사이의 에너지 불균형을 줄이는 것이 그 역할이다.
대기 대순환이 어떤 모습인지 보자. 지구 전체의 대기 순환을 단순하게 나타내면 각 반구에 세 개의 큰 순환이 있고, 이 순환에 따라 지표 부근에서 우세하게 부는 바람의 방향이 위도마다 달라진다.
북반구를 기준으로 보면, 적도에서 위도 30도 사이에서는 동쪽에서 서쪽으로 부는 무역풍이, 위도 30도에서 60도 사이에서는 서쪽에서 동쪽으로 부는 편서풍이, 위도 60도에서 극 사이에서는 동쪽에서 서쪽으로 부는 극동풍이 우세하다. 실제 지표의 바람은 지형과 계절의 영향도 받으므로 위도 구간 전체에서 늘 같은 방향으로 부는 것은 아니다.
여기서 이름을 읽는 법을 알아 두자. 바람의 이름은 불어 가는 쪽이 아니라 불어오는 쪽을 가리킨다. 편서풍은 서쪽에서 불어오는 바람이라는 뜻이다. 이 규칙을 모르면 방향을 매번 반대로 답하게 된다.
이 바람들은 대기 안에서만 작용하지 않는다. 위도별로 일정하게 부는 바람이 오랫동안 바닷물 표면을 밀면 바닷물이 흐르게 되고, 이렇게 움직이는 표층 해수는 대륙과 해안선의 배치 등에 따라 흐름의 경로가 달라지며, 해수의 표층 순환을 이룬다. 대기의 순환과 바다의 순환이 이어져 함께 열을 옮기는 것이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과17-01]지구 대기권을 4개 권역으로 구분하며, 온실효과와 지구온난화를 복사 평형의 관점으로 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
기권의 층 구분
- 기권의 층을 높이만으로 나눈다고 본다. 단면 그림이 높이 순서로 그려져 있기 때문이다. 층을 나누는 기준은 높이에 따른 기온 변화다. 기온이 높아지다 낮아지는 방향이 바뀌는 지점에서 층을 나눈다.
- 높이 올라갈수록 기온이 계속 낮아진다고 본다. 산에 오르면 추워지는 경험 때문이다. 대류권에서는 높이 올라갈수록 낮아지지만 성층권에서는 반대로 높아진다. 층마다 방향이 다르다.
- 성층권에서 기온이 높아지는 이유를 태양에 가까워지기 때문이라고 본다. 위로 갈수록 태양에 가깝다고 생각하기 때문이다. 성층권에 있는 오존층이 자외선을 흡수하기 때문에 기온이 올라간다. 거리가 아니라 흡수가 원인이다.
- 대류권에서만 공기가 있다고 본다. 날씨 현상이 대류권에서 일어나기 때문이다. 위쪽 층에도 공기는 있으며 다만 훨씬 희박하다. 공기의 대부분이 대류권에 모여 있는 것이다.
- 공기가 섞이는 곳에서는 항상 날씨 변화가 생긴다고 본다. 대류권이라는 이름 때문이다. 날씨 변화에는 공기의 움직임뿐 아니라 수증기가 필요하다. 대류권에 수증기가 모여 있기 때문에 이곳에서 기상 현상이 일어난다.
복사 평형
- 복사 평형을 지구가 열을 전혀 받지도 내보내지도 않는 상태로 본다. 평형이라는 말이 멈춤으로 읽히기 때문이다. 복사 평형은 들어오는 양과 나가는 양이 같아 온도가 일정하게 유지되는 상태다. 주고받는 일은 계속 일어나고 있다.
- 지구가 태양에서 받은 열을 모두 흡수한다고 본다. 햇빛이 지구를 데운다고 배우기 때문이다. 일부는 구름과 지표에서 반사되어 되돌아간다. 흡수하는 것은 들어온 양의 일부다.
- 지구가 열을 내보내지 않는다고 본다. 지구는 태양처럼 빛나지 않기 때문이다. 지구도 온도에 맞는 형태로 열을 우주로 내보낸다. 내보내는 양이 있어야 평형이 성립한다.
온실효과와 지구온난화
- 온실효과를 나쁜 현상으로만 본다. 지구온난화와 함께 배우기 때문이다. 온실효과는 원래 있는 자연스러운 작용이며, 이것이 없으면 지구는 생물이 살기 어려울 만큼 차가워진다. 문제가 되는 것은 그 효과가 지나치게 커진 경우다.
- 온실효과와 지구온난화를 같은 말로 쓴다. 두 용어가 붙어 나오기 때문이다. 온실효과는 대기가 열을 붙잡아 두는 작용이고, 지구온난화는 온실 기체가 늘어 그 작용이 강해져 평균 기온이 올라가는 현상이다. 작용과 결과의 관계다.
대기 대순환과 위도별 바람
- 지구 전체가 복사 평형이니 모든 지역이 균형을 이루고 있다고 본다. 평형을 전체와 부분 모두에 적용하기 때문이다. 지구 전체로는 들어오는 양과 나가는 양이 같지만, 위도별로 보면 저위도는 받는 양이 더 많고 고위도는 내보내는 양이 더 많다. 부분마다 남고 모자라는 것이 대기 대순환이 일어나는 출발점이다.
- 대기 대순환이 없어도 위도별 기온 차이는 지금과 비슷할 것이라고 본다. 태양 에너지의 양으로 기온이 정해진다고 생각하기 때문이다. 남는 곳에서 모자라는 곳으로 열이 옮겨지지 않으면 저위도는 지금보다 훨씬 뜨겁고 고위도는 훨씬 차가워진다. 열을 옮기는 것이 대기 대순환의 역할이다.
- 위도에 관계없이 지표 부근에서 같은 방향의 바람이 우세하게 분다고 본다. 자기가 사는 지역에서 겪는 바람만 떠올리기 때문이다. 대기 대순환을 단순하게 나타내면 각 반구에 세 개의 큰 순환이 있고, 위도 구간마다 우세하게 부는 바람의 방향이 다르다. 북반구를 기준으로 저위도에는 무역풍, 중위도에는 편서풍, 고위도에는 극동풍이 우세하다.
- 바람의 이름이 바람이 불어 가는 쪽을 가리킨다고 본다. 편서풍을 서쪽으로 부는 바람으로 읽기 때문이다. 바람의 이름은 불어오는 쪽을 가리킨다. 편서풍은 서쪽에서 불어오는 바람이고, 무역풍과 극동풍은 동쪽에서 불어오는 바람이다.
- 대기 대순환을 대기 안에서만 일어나는 일로 본다. 대기라는 말이 붙어 있기 때문이다. 위도별로 일정하게 부는 이 바람들은 바닷물 표면을 밀어 해수의 표층 순환을 일으키는 중요한 원인 가운데 하나다. 바람에 밀려 움직이는 표층 해수는 대륙과 해안선의 배치 등에 따라 흐름의 경로가 달라진다. 대기의 순환과 바다의 순환이 이어져 있다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
기권의 층은 높이에 따라 순서대로 나뉘기 때문에, 높이 자체가 층을 구분하는 기준이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
교과서 그림이 대류권, 성층권, 중간권, 열권을 아래에서 위로 쌓아 보여 주기 때문에 '높이 순서'가 곧 구분 기준이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 기온이 높아지다가 낮아지는 것처럼 변화 방향이 바뀌는 지점을 경계로 층을 나누는 거예요. 즉, 높이는 그림을 표현하는 방식일 뿐이고, 층의 경계를 결정하는 것은 기온 변화의 방향 전환이에요.
대류권에서는 높이 올라갈수록 기온이 낮아지지만, 성층권에서는 반대로 높이 올라갈수록 기온이 높아진다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
산에 오르면 추워지는 경험이 있다 보니, 높이 올라갈수록 기온이 계속 낮아진다고 생각하기 쉬워요. 실제로는 대류권에서만 그 경험이 맞고, 성층권부터는 반대로 높이 올라갈수록 기온이 높아져요. 이처럼 기권의 층마다 기온이 변하는 방향이 서로 달라요.
성층권에서 위로 올라갈수록 기온이 높아지는 것은 태양과의 거리가 가까워지기 때문이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
위로 올라갈수록 태양에 가까워지니 당연히 더 따뜻할 것이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 지구에서 태양까지의 거리에 비하면 대기권의 높이는 매우 작아서, 고도 차이가 기온에 영향을 줄 만큼 태양과의 거리가 달라지지는 않아요. 실제로는 성층권에 있는 오존층이 태양에서 오는 자외선을 흡수하면서 그 에너지가 열로 바뀌기 때문에 기온이 올라가는 거예요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반