이산화탄소가 많으면 왜 열이 대기중에 갇히게 되나요?

이산화탄소(CO2​)를 포함한 온실 가스들이 열을 대기 중에 가두는 원리는 분자의 진동과 적외선 흡수 능력에 있습니다. 좀 더 자세히 설명하자면 다음과 같습니다.

1. 지구 복사 에너지(적외선): 태양으로부터 지구로 들어오는 에너지는 주로 가시광선 형태로 지표면에 도달합니다. 이 에너지를 흡수한 지구 표면은 따뜻해지고, 이 열을 다시 우주 공간으로 방출합니다. 이때 방출되는 열의 형태가 바로 적외선입니다.
2. 분자 구조와 진동: 대기 중의 기체 분자들은 끊임없이 움직이고 진동합니다. 이산화탄소 분자는 중심에 탄소 원자 하나와 양쪽에 산소 원자 두 개가 결합된 선형 구조(O=C=O)를 가지고 있습니다. 이 분자는 여러 가지 방식으로 진동할 수 있습니다. 예를 들어, 탄소와 산소 사이의 결합이 늘어나고 줄어들거나, 분자 전체가 굽혀지는 등 다양한 진동 모드가 있습니다.
3. 적외선 흡수: 특정 분자들은 특정 파장의 적외선을 흡수할 수 있는 '고유 진동수'를 가지고 있습니다. 마치 특정 주파수의 라디오 전파만 수신할 수 있는 라디오처럼 말이죠. 이산화탄소 분자는 지구가 방출하는 적외선 에너지의 일부 파장과 정확히 일치하는 고유 진동수를 가지고 있습니다. 따라서 이산화탄소 분자가 해당 파장의 적외선을 만나면 그 에너지를 흡수하여 자신의 진동 에너지를 증가시킵니다.
4. 열 에너지 재방출 및 대기 중 열 가두기: 적외선을 흡수하여 진동 에너지가 증가한 이산화탄소 분자는 이 에너지를 영원히 가지고 있지 않습니다. 이 에너지는 곧 다시 적외선 형태로 방출되거나, 주변의 다른 기체 분자(주로 질소나 산소)와 충돌하여 열 에너지 형태로 전달됩니다. 중요한 점은 이 에너지가 방출되는 방향이 무작위적이라는 것입니다. 일부는 다시 우주 공간으로 향하지만, 상당 부분은 다시 지구 표면이나 대기권 아래쪽으로 재방출됩니다.
5. 온도 상승: 이처럼 지구가 방출하는 적외선 에너지가 이산화탄소 분자에 의해 흡수되고 재방출되는 과정이 반복되면서, 열이 대기권 내부에 더 오래 머무르게 됩니다. 마치 이불을 덮으면 체온이 밖으로 나가지 못하고 이불 안에 갇히는 것처럼, 이산화탄소가 많아질수록 대기 중의 열이 더 많이 갇히게 되고, 이는 지구 전체의 평균 온도를 상승시키는 결과를 초래합니다.

산소(O2​)나 질소(N2​)는 온실 효과를 거의 일으키지 않는 이유: 이산화탄소와 달리 대기의 주성분인 산소와 질소는 두 개의 동일한 원자로 이루어진 대칭적인 분자 구조를 가지고 있습니다. 이러한 대칭적인 분자들은 지구에서 방출되는 적외선과 일치하는 고유 진동수를 가지지 않거나, 적외선 흡수 시 분자의 쌍극자 모멘트(전하 분포의 변화)가 변하지 않아 적외선을 효과적으로 흡수하지 못합니다. 따라서 이들은 온실 효과에 거의 기여하지 않습니다.

결론적으로, 이산화탄소가 열을 대기 중에 가두는 것은 지구가 방출하는 특정 파장의 적외선을 흡수하고 재방출하는 분자적 특성 때문이며, 이러한 현상이 많아질수록 지구 온난화가 심화되는 것입니다.

 

 

예를들어 쉽게 다시 설명하면,

 

이산화탄소가 열을 대기 중에 가두는 현상을 우리 주변의 일상적인 상황에 빗대어 쉽게 설명해 드릴게요.

1. 지구는 뜨거운 난로예요.

• 우리 집 거실에 뜨거운 난로(지구 표면)가 있다고 상상해 보세요. 난로는 계속해서 따뜻한 열(적외선)을 주변으로 내뿜습니다.

2. 평소에는 열이 잘 빠져나가요.

• 만약 거실 창문이 활짝 열려 있다면, 난로에서 나오는 따뜻한 열은 창문을 통해 밖으로 금방 빠져나갈 거예요. 그래서 거실이 너무 뜨거워지지 않죠. (이것이 이산화탄소나 온실가스가 별로 없을 때의 자연스러운 지구 상태입니다.)

3. 이산화탄소는 투명한 담요예요.

• 이제 이산화탄소를 아주 얇고 투명한 담요라고 생각해 보세요. 이 담요는 특이한 성질이 있는데, 난로에서 나오는 따뜻한 열(적외선)만 '붙잡을' 수 있어요.
• 평소에 우리 눈에 보이는 빛(태양 빛)은 그냥 통과시켜서 담요가 있는지 없는지 잘 보이지도 않아요. 하지만 난로에서 나오는 열은 이 담요에 닿으면 일부가 다시 튕겨져 나오거나, 담요가 그 열을 잠깐 품고 있다가 다시 아무 방향으로나 내뱉어요.

4. 담요가 많아지면 열이 더 많이 갇혀요.

• 거실에 이 투명한 담요(이산화탄소)가 한두 장 있을 때는 열이 어느 정도 밖으로 빠져나가고, 담요가 좀 따뜻해지는 정도일 거예요. (이것이 지구 온도가 적정하게 유지되는 자연적인 온실 효과입니다.)
• 그런데 우리가 이 담요를 한 장, 두 장, 세 장… 계속해서 겹쳐서 깔아 놓는다고 상상해 보세요.
  • 난로에서 나온 열이 첫 번째 담요에 부딪혀 일부가 튕겨 나오고, 일부는 통과해요.
  • 통과한 열이 두 번째 담요에 부딪히면 또 일부가 튕겨 나오고…
  • 이런 식으로 담요가 겹겹이 많아질수록, 난로에서 나온 따뜻한 열이 밖으로 시원하게 빠져나가지 못하고 거실 안에 갇히게 되는 양이 점점 늘어나겠죠?

5. 결국 거실 온도가 올라가요.

• 열이 밖으로 빠져나가지 못하고 계속 거실 안에 머무니까, 처음에는 시원했던 거실 공기가 점점 더워지고 뜨거워지는 거예요.

요약:

이산화탄소는 지구에서 방출되는 **열(적외선)**을 흡수하고 다시 아무 방향으로나 방출하는 투명한 담요와 같습니다. 이 이산화탄소 담요가 많아지면 많아질수록, 지구가 내뿜는 열이 우주 공간으로 잘 빠져나가지 못하고 지구 대기 안에 갇히게 됩니다. 마치 이불을 여러 겹 덮으면 몸의 열이 밖으로 나가지 못하고 이불 안에 갇혀서 따뜻해지는 것과 같은 원리입니다. 이렇게 열이 대기 안에 갇히면 지구의 평균 온도가 올라가게 되는 것이죠.

 

그림은 태양 빛이 지구로 들어와 지표면을 데우고, 지구가 다시 열을 우주로 방출하려 하지만, 대기 중의 이산화탄소 분자들이 이 열을 가두어 지구의 온도를 높이는 과정을 시각적으로 보여줍니다.