지구는 태양으로부터 에너지를 받고, 동시에 우주로 에너지를 방출합니다. 이 두 에너지가 균형을 이루는 상태를 복사 평형(Radiative Equilibrium)이라 합니다.
복사 평형이 유지되면 지구의 평균 온도가 일정하게 유지됩니다. 만약 들어오는 에너지가 나가는 에너지보다 많으면 지구는 온도가 상승하고, 반대이면 온도가 하강합니다.
태양 상수(Solar Constant, S)는 지구 궤도에서 태양에 수직인 면이 받는 단위면적당 에너지로, 약 1361 W/m²입니다.
하지만 지구는 구형이므로 단위면적당 평균 입사 에너지는 $$S/4$$이고, 이 중 일부는 반사됩니다.
여기서 α (알베도, Albedo)는 반사율로, 지구 평균 약 0.30입니다.
| 표면 유형 | 신선한 눈 | 구름 | 사막 모래 | 초원 | 숲 | 바다 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 알베도 | 0.80~0.90 | 0.40~0.80 | 0.30~0.40 | 0.20~0.25 | 0.10~0.20 | 0.06~0.10 |
모든 물체는 온도에 따라 전자기파를 방출합니다. 슈테판-볼츠만 법칙에 따르면:
여기서 $$\sigma = 5.67 \times 10^{-8}$$ W/(m²·K⁴)는 슈테판-볼츠만 상수입니다.
실제 지구 평균 기온 15°C보다 33°C나 낮습니다. 이 차이가 온실효과입니다.
대기 중의 온실가스(CO₂, CH₄, H₂O, N₂O)는 지표에서 방출된 적외선(장파 복사)을 흡수한 뒤 재방출합니다. 재방출의 일부는 다시 지표로 돌아가 추가 가열합니다.
현재 지구의 $$\tau \approx 0.40$$이며, 온실가스 증가 → τ 증가 → 지표 온도 상승.
| 온실가스 | 화학식 | 현재 농도 | 산업혁명 전 | 기여도 |
|---|---|---|---|---|
| 이산화탄소 | CO₂ | ~420 ppm | ~280 ppm | ~65% |
| 메탄 | CH₄ | ~1.9 ppm | ~0.7 ppm | ~17% |
| 아산화질소 | N₂O | ~0.33 ppm | ~0.27 ppm | ~6% |
| 수증기 | H₂O | 가변 | 가변 | ~12% |
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