대기가 없다면 지구는 몇 도일까?

달과 지구

같은 햇빛, 다른 온도

대기가 거의 없는 천체가 바로 옆에 있어요. 달이에요. 달은 태양까지의 거리가 지구와 거의 같아서(약 1억 5천만 km) 같은 세기의 햇빛을 받아요. 그렇다면 온도도 지구와 비슷할까요?

탐구 정리달은 하루 동안 300 ℃ 가까이 오르내리지만, 같은 햇빛을 받는 지구의 하루 기온 차이는 10 ℃ 안팎이에요. 차이를 만드는 것은 대기와 바다예요.

달 적도의 표면은 한낮에 약 120 ℃까지 올라가고, 해 뜨기 직전에는 약 −170 ℃ 아래로 떨어져요. ? 4장에서 본 하루의 기온 변화가 수십 배로 커진 셈이에요. 달의 낮과 밤이 각각 약 2주씩 이어지는 것도 차이를 키워요. ?

반면 지구는 평균 약 15 ℃이고, 하루의 기온 차이도 10 ℃ 안팎이에요. 차이를 만드는 것은 대기예요. 대기가 없으면 낮에는 햇빛이 그대로 표면을 달구고, 밤에는 열이 곧장 우주로 빠져나가요.

대기가 없다면 몇 도?

받는 만큼 내보내는 온도

3장의 에너지 균형으로 계산할 수 있어요. 지구가 흡수한 햇빛만큼 적외선을 내보내는 온도를 찾으면 돼요. 2장에서 배웠듯, 물체가 내보내는 에너지는 절대온도의 네제곱(σT⁴)에 비례해요.

대기권 밖에서 햇빛을 정면으로 받는 면은 1 m²마다 약 1,361 W를 받아요. 하지만 햇빛은 원판 모양으로 받고, 적외선은 둥근 지구의 표면 전체에서 밤낮없이 나가요. 그래서 표면 1 m²에 고르게 나누면 1/4인 약 340 W/m²예요. ? 그중 약 30%는 구름·얼음·땅에 반사되고, 약 70%인 240 W/m²가 흡수돼요.

계산하면 대기 없는 지구는 약 255 K, 즉 −18 ℃예요. 그런데 실제 지구의 평균 온도는 약 15 ℃예요. 33 ℃나 차이가 나요. 대기가 지구에 무슨 일을 하고 있는 걸까요? 먼저 낮부터 살펴봐요.

낮의 방패

햇빛을 걸러 주는 대기

같은 햇빛을 받는데, 지구의 낮은 왜 달처럼 100 ℃ 넘게 뜨거워지지 않을까요? 대기가 들어오는 햇빛을 걸러 주기 때문이에요.

탐구 정리지구에 들어온 햇빛 100 가운데 약 30은 반사되고, 약 23은 대기가 흡수해요. 땅과 바다가 흡수하는 것은 약 47이에요. 대기가 없는 달은 약 88을 표면이 그대로 흡수해요.

높은 하늘의 오존층은 자외선을 흡수해요. 구름과 공기는 햇빛의 약 4분의 1을 우주로 되돌려 보내고, 공기와 수증기가 또 약 4분의 1을 흡수해요. 그래서 땅과 바다에 닿아 흡수되는 건 절반 정도예요. 게다가 바람과 바닷물이 데워진 곳의 열을 다른 곳으로 옮겨, 낮과 밤·지역 사이의 차이를 줄여 줘요.

그렇다면 밤에는요? 해가 지면 들어오는 햇빛은 0이 돼요. 그런데도 지구는 달처럼 −170 ℃로 얼어붙지 않아요. 밤을 지켜 주는 것은 대기 속 무엇일까요? 6장에서 그 기체를 찾아봐요.