온실효과

8.3  온실효과

지구의 대기는 태양 복사의 대부분을 지표면으로 투과시키지만, 지표면에서 방사된 지구 복사에 대해서는 대기의 창에 해당하는 파장 영역을 제외하고 대부분을 온실가스로 흡수한다. 흡수된 지구복사의 열에너지가 지표면을 향해 재 방사됨으로써 대기의 온도가 거의 일정 온도로 보존되는 현상을 온실효과라 한다. 온실의 유리는 지구의 대기 역할을 하여 태양의 단파 복사에 대해 거의 투명하지만 온실 안에서 따뜻해진 물체가 방사하는 장파 복사에 대해서는 거의 불투명하기 때문에 온실의 내부는 외부보다 높은 온도를 유지할 수 있다. 온실가스와 같이, 구름은 지구복사의 훌륭한 흡수체로 지표면이 온도를 따뜻하게 유지해주는 역할을 한다. 특히 야간에, 두꺼운 구름층은 지구복사를 많이 흡수한 후 지표면으로 재방출한다. 구름이 많고 습한 날 야간의 지표면 냉각이 맑고 건조한 날보다 덜 이루어지는 것을 보면 알 수 있다. 
온실효과를 과학적으로 이해하기 시작한 것은 1827년 Jean Baptiste-Joseph de Fourier 이후다. 이전에는 단파장의 태양 복사가 대기를 통과하여 지표면을 따뜻하게 하지만 장파장의 지구 복사가 외계로 방출됨으로써 지구는 냉각될 것이라고 이해했다. 그러나 그는 지구의 대기가 온실의 유리 역할을 하고, 온실 내 온도가 따뜻한 공기의 대류에 의해 유지된다는 온실효과를 제시했다. 온실효과와 온실가스라는 용어는 이후 현재까지 대기 복사를 기술할 때 사용되고 있다. 1859년에 John Tyndall은 대기 중의 수증기, 이산화탄소 및 메탄가스가 흡수한 지구복사 에너지를 측정하여 빙하시대에 존재했던 이들 온실가스의 수준을 제시했다. 1896년에 Svante Arrhenius는 화석연료에서 방출되는 이산화탄소의 농도가 두배가 되면 지구의 온도는 5~6℃ 상승할 것이라고 예측하였으나, 현재의 기후 예측 델은 1.5~ 4.5℃ 상승하는 것으로 예측된다. 1957년에 Roger Revelle와 Hans Suess는 대규모 지구 물리 실험으로 대기 중에 이산화탄소가 축적되어 증가한다는 것을 지적하였다. 그다음 해인 1958년을 하와이의 Mauna Loa에서 이산화탄소의 관측이 시작된 해이며 지구 물리 관측의 원년으로 지정되었다. 

8.3.1 자연 온실효과
지구 대기의 약 99%는 질소와 산소로 구성되어있고, 1% 미만의 성분 가운데 온실가스로 불리는 이산화탄소와 메탄 및 각종 미량 가스가 분포되어 있다. 지구의 대기 중에 온실가스가 없으면 입사 태양 복사와 방출 지구복사의 양이 동일하여 온실효과가 발생하지 않고, 식생의 서식에 필요한 적정의 온도가 유지되지 못한다. 태양으로부터 지구로 전달되는 에너지는 주로 가시광선의 형태로 대기에서 산란하고 나머지가 지구 표면에 도달되며, 도달된 복사선은 적외선인 열복사의 형태로 방사되어 대기권 밖으로 방출되거나 대기 중의 기체들에 의해 흡수된다. 즉, 단파의 태양 복사는 온실가스와 구름, 수증기 등을 잘 투과하여 지표면에 도달하지만, 장파의 지구복사는 외계로 잘 방출되지 못한 채 온실가스에 흡수되어 대기권의 온도를 적절하게 유지하는 역할을 하는데 이러한 현상을 자연 온실효과(natural greenhouse effect)라 한다.

8.3.2 강화된 온실효과
대기 중에 존재하는 적당량의 온실가스는 지표면에서 방출되는 장파 복사를 흡수하고 재방출하여 지구 생태계를 적절한 온도로 유지해 주지만, 온실가스의 농도가 과도하게 증가하면 지표면으로부터 방사되는 적외선 복사에 대하여 대기가 흡수하고 재방출하는 양이 특정 수준 이상으로 많아지게 된다. 이러한 과정에 의해 지구의기온이 과도하게 더워지는 현상을 강화된 온실효과(enhanced greenhouse effect)라 한다. 일반적인 의미에서 최근에 진행되고 있는 지구의 온난화는 강화된 온실효과의 범주에 속한다고 할 수 있다. 온실가스의 농도 증가로 대기의 불투명도가 커지면 지구의 복사를 우주 공간에 효율적으로 방출시키기 위해 고도는 점차 높아진다. 그러나 고도가 상승할수록 기온이 낮아지기 때문에  높은 고도에서 우주 공간으로의 에너지 방출은 적어질 수밖에 없다. 이러한 이유로 양의 복사강제력이 작용하게 되고, 지표면과 하층 대기 및 해양의 온도는 적정 온도 이상으로 상승하게 된다. 

8.3.3. 온실효과의 폭주
온실효과의 폭주 현상(runaway greenhouse effect)은 온실효과의 조건 성숙과 온난화 과정이 선순환하는 양의 피드백 과정을 통해, 기온이 조절 불가능한 고온의 상태로 치닫는 상태를 말한다. 좋은 예로 지구보다 태양에 근접해 있는 금성의 평균기온은 480℃ 정도로 불안정한 상태를 보인다. 지구에서 온실효과의 폭주 현상이 발생하지 않고 생명체가 삶을 지속할 수 있도록 자연 온실효과가 유지되는 이유는 태양 복사의 강도가 금성보다 약하고, 상대습도가 높아지면 수증기의 응결로 강수가 발생하기 때문이다. 대기 중의 이산화탄소를 저장하여 지구의 온난화를 억제하는 바다의 영향도 중요하다. 온실효과의 폭주 현상은 물의 존재 여부에 따라 건식과 습식으로 구분할 수 있다. 두 가지 효과 모두 온실가스의 영향에 의한 것이지만, 물은 지속해서 증발해 소멸하는 반면 이산화탄소의 농도는 증가한다.
온실효과의 건식 폭주는 금성의 지표면에 물이 없는 경우이다. 금성은 태양에 근접해 있고 기온이 높기 때문에 수증기가 물로 액화되지 못한다. 물이 없기 때문에 바다로부터의 이산화탄소 배출은 있을 수 없다. 그러나 화산 활동에 의해 온실가스인 이산화탄소와 수증기가 대기 중으로 분출되어 농도가 증가하면 기온은 상승한다. 기온의 상승으로 대기의 상층부에 위치하는 수증기는 광해리 작용에 의해 산소와 수소 분자로 분리된 후, 가벼운 수소는 외계로 날아가고 산소는 다른 기체와 재결합한다. 이처럼 수소가 없는 금성에서 이산화탄소의 농도는 증가하고 수증기가 완전히 소멸할 때까지 기온이 지속해서 상승하는 효과를 말한다.
온실효과의 습식 폭주는 금성의 지표면에 물이 있는 경우이다. 금성의 기온이 지구보다 아주 높아 많은 물을 대기로 증발시키지만, 강수가 형성되지 못하기 때문에 바다의 물은 점점 줄어든다. 수증기를 포함한 대기 중의 온실가스의 농도가 증가하면서 기온은 상승하고 바다의 물도 점점 사라지게 된다. 이러한 과정이 순환되면서 이산화탄소의 농도는 증가하고 기온이 지속해서 상승하는 효과를 말한다.