츄 사이언스 - 지구에서의 에너지 흐름 3가지

지구에서의 에너지

지구에서는 끊임없이 변화가 일어나고 있고, 그 변화들은 공간적 및 시간적인 규모가 매우 다양하며, 반드시 에너지의 출입이 수반됩니다. 우리 주변 대기의 기온, 기압, 바람, 습도 구름 등은 시시각각 변화하며, 때로는 강수현상을 보이기도 합니다. 이러한 대기의 상태와 운동에는 태양에너지가 관계됩니다. 지표에 내린 강수는 지표나 지하로 흐르면서 침식과 퇴적 등의 변화를 일으키는데, 이때에는 태양에너지가 물의 운동에너지로 형태를 바꾼 것입니다. 해양에 있어서도 해파, 해류, 조석 등 크고 작은 운동이 끊임없이 일어나고 있습니다. 이러한 운동에는 바람의 운동에너지와 중력 에너지가 관여합니다. 한편 지각에는 화산, 지진 등 급격한 운동이나 산맥의 생성, 해저의 확장, 대륙의 이동 등 판의 운동과 관계되는 변동이 일어나기도 하는데, 여기에는 지구 내부의 열에너지가 관계됩니다.

에너지의 흐름

어떤 물질이 있는 공간에서는 온도가 높은 곳에서 그 주위로 열에너지가 전달되어 퍼져 나가게 됩니다. 이때 열에너지가 전달되는 방법에는 매질을 통해 열이 이동하는 전도와 대류가 있고, 매질이 필요없는 복사가 있습니다. 지구에서 열의 이동은 구성 물질에 따라 그 형태가 달라집니다. 지구와 우주 공간 사이에는 모든 에너지가 복사로서, 대기 중에서는 복사와 대류로서 이동합니다. 지면과 대기 사이에는 복사로서, 암석권이나 내핵처럼 고체로 되어 있는 부분은 전도로서 열이 이동합니다. 외핵은 액체이므로 주로 대류로서 열이 이동되겠지만, 맨틀은 고체이기는 하나 외핵처럼 대류로서 열이 이동하는 것으로 생각되고 있습니다.

1. 열의 전도

쇠막대기의 끝을 잡고 한쪽 끝에 불을 대면 다른 쪽까지 뜨거워지게 됩니다. 이와같이 어떤 저온 상태에 있는 물질에서 한 부분이 가열되면, 그 가열된 고온부에서 저온부로 열이 이동하게 되는데, 이를 전도라고 합니다. 열의 이동은 물질을 이루는 분자나 전자의 운동으로 전달되며, 외부적인 운동은 없고, 그 전도의 메커니즘은 매질에 따라 다릅니다. 금속과 같은 양도체에서는 자유전자가 운동에너지를 전달하며, 불양도체나 액체에서는 파동의 형태로, 또 기체에서는 고온의 기체 분자가 저온의 기체로 확산되며 에너지를 전달하게 됩니다. 열은 온도 경도와 열전도도가 클수록 빨리 전도됩니다. 대체로 고체인 금속에서 열이 잘 전도되며, 액체, 기체는 전도가 잘 되지 않습니다. 고체에서 열전도율은 그 물질의 분자구조에서 전자의 결합상태에 따라 결정되는데, 금속이 외각 전자가 가장 엉성하게 결합되어 있으므로 열의 전기의 전도도가 가장 좋은 것입니다. 아래의 표와 같이 금속 특히 구리는 열전도도가 크며, 우리 주변에서 흔한 암석과 유리, 물 등의 열전도율은 금속의 수십 ~ 수백 분의 일 밖에 안되고, 공기는 더욱 작습니다. 여기서 우리는 지표 부근에서는 열이 잘 전도되지 않는다는 것을 알 수 있으며, 특히 공기 중에서 에너지 이동은 전도가 아니고 대류나 복사 등의 방법에 의존한다는 것을 알 수 있습니다.

여러 물질의 열전도율

2. 대류

유체내에서 유체가 운동함으로써 그 유체의 특성이 수송되고 혼합되는 에너지의 전달 과정을 대류라고 합니다. 어떤 용기에 물을 담고 가열하면 물에서 상하 운동이 일어나는 것으로 대류를 알 수 있습니다. 대류는 대체로 연직방향으로 일어나며, 자유 대류와 강제대류가 있습니다. 자유 대류는 유체가 부분적으로 가열되어 팽창하거나 또는 냉각되어 수축하면, 정역학적 평형상태가 깨져 불안정해지므로 일어나는 상하운동입니다. 이에 대해 강제대류는 지표면의 불규칙성에 의한 편향이나, 유체의 경계부의 마찰에 의한 난류 또는 외력에 의해 생길 수 있습니다. 이러한 현상으로는 전선에 의한 상승, 지형에 의한 상승, 대기의 수렴에 의한 상승을 예로 들 수 있습니다. 그리고 상층풍의 연직 분포에 따라 복잡한 대류가 생기기도 합니다. 그런데 대기권과 대양에서는 수평방향으로 일어나는 대류도 생각할 수 있습니다. 이러한 수평 대류로서 대기권에서는 찬 공기나 더운 공기가 갑자기 이동하는 한파, 열파 등 이류(advection)가 나타나고, 대양에서는 차거나 더운 수괴가 이동하는 한류와 난류가 나타나게 됩니다.

3. 복사

야외에서 불을 피우거나 실내에서 열기구를 가동시키면, 우리는 열기가 직접 몸에 닿는 것을 느낍니다. 이때 열기는 열원에서 우리 몸으로 파동으로 도달한 것이며, 이와 같이 어떤 열원에서 모든 방향으로 열이 방출되는 것을 복사, 또는 방사(radiation)라고 합니다. 복사란 공간에서 전자기장의 빠른 진동으로 에너지가 전달되는 것을 말하는데, 진동이 파동으로 이동하는 것을 전자기파(electromagnetic wave)라고 합니다. 전자기파에는 라디오파, TV파, X선, 햇빛, 적외선 등이 있는데, 이들은 기본적으로 같은 현상으로 다만 파장과 진동수가 다를 뿐이며, 모두 빛과 같은 속도로 이동합니다. 전자기파는 전자의 진동이나 가속에 의해 발생하기 때문에, 우주에 있는 모든 물질은 온도가 높건 낮건간에 모두 진동하는 전자를 포함하고 있으므로, 에너지를 복사할 수 있는 것입니다. 다만 그 물질의 온도에 따라 복사하는 전자기파의 특성이 달라집니다. 그런데 엄밀히 말하자면 복사의 과정에서 열이 이동하는 것이 아니라 복사체인 열원에서 열에너지가 복사에너지로 변환되어 공간으로는 전자기파로 이동하는 것이며, 전자기파가 어떤 물체에 부딪치면 열에너지로 변화되는 것입니다.