4.3. Heat Imbalances Between Earth's Surface and Atmosphere
[Figure 4-1]과 같이 지구-대기 에너지 균형 수치는 현열(sensible heat)(7%)과 잠열(24%) 과정이 모두 지구 표면에서 대기 중으로 열을 전달한다는 것을 나타냅니다. 두 과정 모두 지구의 표면이 지속적으로 가열되고 대기가 지속적으로 냉각되는 것을 막기 위해 필요합니다.
4.3.1. Sensible Heating
현열은 전도 및 대류를 모두 포함합니다. 현열을 공기의 밀도 차이로 인해 발생합니다. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮습니다.
따뜻하고 화창한 날에, 지구의 표면은 들어오는 태양 복사나 일사량에 의해 가열됩니다. 지구 표면에서의 어떤 지역은 다른 지역보다 태양으로부터 더 많은 열을 흡수할 수 있기 때문에 가열되는 것은 고르지 않을 수 있습니다. 열은 상대적으로 따뜻한 지면에서 더 차가운 공기로 전도되면서 지면 바로 근처의 얕은 공기층을 따뜻하게 해 줍니다. 가열된 공기는 팽창하고, 주변의 차가운 공기보다 밀도가 낮아지며, 상승하게 됩니다. [Figure 4-3]과 같이 이 과정을 통해, 상승 온난 기류라고 불리는 따뜻한 공기의 큰 버블이 상승하고 열에너지를 위로 전달합니다. 이때 상승하는 공기를 대체하기 위해 더 차갑고 밀도가 높은 공기는 땅으로 가라앉습니다.
이러한 방식으로, 대류는 지구 표면에서 대기로 열을 전달하게 됩니다. [Table 2-3 https://jicho9597.tistory.com/134]에서 볼 수 있듯 공기는 썩 좋지 않은 열전도율을 가지고 있기 때문에 대류는 열전달 메커니즘으로서 전도보다 훨씬 더 중요한 역할을 합니다.
4.3.2. Latent Heat
[https://jicho9597.tistory.com/140 참조] 물의 상태 변화와 물의 상태 변화와 관련된 잠열 교환은 지구의 표면에서 대기 중으로 과잉 열(excess heat)을 전달하는 데 큰 원인이 있습니다. 지구의 표면이 열복사를 흡수함에 따라, 생성된 열의 일부는 바다, 호수, 강, 토양, 그리고 식물로부터 물을 증발시키는 데 사용됩니다. 물은 증발 잠열(latent heat of vaporization)로 인해 열에너지를 흡수하게 됩니다. 이 수증기의 일부는 구름처럼 보이는 얼음 결정으로서 미세한 물방울이나 퇴적물로 응결됩니다. 구름이 형성되는 동안, 수증기는 상태 변화하면서, 잠열을 대기로 방출시킵니다. 이 과정 동안, 과잉 열(excess heat)은 지구의 표면에서 대기로 전달됩니다.
4.4. Heat Imbalance Variations with Latitude
복사가열과 복사냉각의 세계적 불균형은 지구 표면과 대기 사이처럼 수직적뿐만 아니라 위도에 따라 수평적으로 발생하기도 합니다. 지구는 본질적으로 구 모양이기 때문에, 지구로 들어오는 태양 복사는 고위도보다 낮은 위도에 더 직접적으로 부딪힙니다; 즉, 극지방보다 적도지방에서 태양은 태양 천정 각도가 더 낮고 더 직접적으로 머리 위에 있다는 것입니다. 높은 위도에서는 태양 복사가 더 크고 넓은 지역으로 퍼져있고 낮은 위도보다 표면 면적당 강도가 약합니다. 그러므로, 지구는 높은 위도보다 낮은 위도에서 더 많은 태양 복사를 흡수하고, 이것은 적도와 극지방 사이에 열 불균형과 기온 변화를 일으킵니다.
또한 지구복사의 방출은 위도에 따라 다르지만, 태양 복사의 흡수보다는 적습니다. 위도에 따른 온도 저하로 인해 위도가 높아질수록 지구 복사의 방출이 감소하게 됩니다. 따라서 고위도에서는 연간 차가워지는 속도가 따뜻해지는 속도보다 큰 반면 저위도에서는 그 반대로 연간 따뜻해지는 속도가 차가워지는 속도보다 큽니다.
모든 위도에 걸쳐 평균적으로, 지구로 들어오는 태양 복사는 지구 밖으로 나가는 지구복사와 같아야 합니다. 그렇지 않으면 지구는 일정한 평균 온도를 유지할 수 없을 것입니다. 북반구와 남반구 모두 위도 약 35℃는 지구로 들어오는 복사와 지구 밖으로 나가는 복사의 양이 같은 곳입니다. 이는 위도 35℃를 기준으로 고위도에서는 연간 냉각되는 현상이, 저위도에서는 가열되는 현상이 있음을 의미합니다. 하지만, 우리는 이것이 사실이 아니라는 것을 알 것입니다. 열대지방에서의 과잉 열(excess heat)은 어떤 메커니즘에 의해 극지방으로 이동되어야 하는데 이때 극지방으로의 열전달은 대기 순환, 날씨, 그리고 해류에 의해 이루어집니다.
- 현열(느낌열, sensible heat) : 어떤 물체 또는 열역학적 시스템의 부피, 압력 등은 변화시키지 않으면서 온도를 변화시키는 데 필요한 열로, 잠열(Latent heat)과 대응되는 개념입니다. 잠열이 어떤 시스템의 상태변화에 쓰이는 것과 달리, 현열은 시스템의 온도를 변화시킵니다. 쉽게 물체의 온도가 가열, 냉각에 따라 변화하는 데 필요한 열량이라고 생각해주시면 되겠습니다.
- 열전도율(thermal conductivity) : 뜨거운 면에서 차가운 면으로 판을 통해 전달되는 단위 시간당 에너지를 말하며 물질이 전도에 의해 열을 전달할 수 있는 능력을 나타내는 정도를 뜻하기도 합니다.
- 열복사(thermal radiation) : 물체의 표면에서 열 에너지가 전자기파로 방출되는 현상을 말합니다.
- 복사냉각(radiation cooling) : 열복사에 의해 지표의 온도가 내려가는 현상을 말합니다.
- 복사가열(radiation heating) : 열복사에 의해 지표의 온도가 상승하는 현상을 말합니다.
※ U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, FAA Advisory Circular (AC) 00-6B, AVIATION WEATHER, page 4-3~5 해석
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