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앨지닥터ALGAE DOCTOR
지구온난화의 원리 6 / 11장

06 / 11 · 틴들의 실험 · 분자의 진동

온실가스는 어떻게 열을 붙잡을까?

대기 속 무엇이 밤에도 지구를 붙잡아 줄까요? 160여 년 전의 실험에서 출발해, 어떤 기체가 왜 적외선을 붙잡는지 분자의 움직임으로 알아봐요.

이 장을 공부하면

  1. 푸트와 틴들의 실험으로 어떤 기체가 열(적외선)을 흡수하는지 밝혀졌다는 것을 설명할 수 있어요.
  2. 질소·산소가 적외선을 흡수하지 못하는 까닭을 분자의 진동과 전기적 치우침으로 설명할 수 있어요.

직접 해 볼 것관에 여러 기체를 채워 적외선이 통과하는지 비교하고, 분자의 진동 방식을 바꿔 흡수 여부를 확인해 보세요.

핵심 용어

온실가스greenhouse gas지구가 내보내는 적외선을 흡수하고 다시 내보내는 기체예요. 수증기, 이산화탄소, 메탄 등이 있어요.
흡수absorption빛의 에너지가 물질에 들어가 분자의 진동이나 회전, 온도를 높이는 데 쓰이는 것이에요.
분자의 진동molecular vibration분자 속 원자들이 용수철로 이어진 것처럼 늘었다 줄었다, 굽었다 펴졌다 하는 움직임이에요.
쌍극자 모멘트dipole moment분자 안에서 양(+)과 음(−)의 전하가 한쪽으로 치우친 정도예요. 이 책에서는 ‘전기적 치우침’이라고 불러요.

160년 전의 실험

유니스 푸트의 병, 존 틴들의 관

1856년 미국의 유니스 푸트는 유리병 두 개에 보통 공기와 이산화탄소를 각각 넣고 햇빛 아래 두었어요. 이산화탄소를 넣은 병이 더 뜨거워졌어요.

3년 뒤 영국의 존 틴들은 긴 관에 기체를 채우고, 한쪽에서 뜨거운 열원의 적외선을 보내 반대쪽에서 얼마나 빠져나오는지 쟀어요. 어떤 기체가 적외선을 붙잡았을까요?

1856년 유니스 푸트: 햇빛 아래 둔 두 유리병
1859년 존 틴들: 기체를 채운 관과 열 검출기

탐구 정리질소·산소·아르곤을 채우면 검출기 바늘이 거의 움직이지 않아요. 적외선이 그대로 통과하기 때문이에요. 이산화탄소·수증기·메탄을 채우면 바늘이 내려가요. 관 속 기체가 적외선을 흡수하기 때문이에요.

질소와 산소는 적외선을 거의 그대로 통과시켰지만, 이산화탄소와 수증기는 흡수했어요. 오늘날 측정해 보면 메탄, 아산화질소, 오존, 불소가 든 인공 기체까지, 사실 대부분의 기체가 적외선을 흡수해요. 흡수하지 못하는 것은 질소·산소·아르곤처럼 아주 단순한 기체뿐이에요.

그런데 그 예외가 공기의 99.9% 이상을 차지해요. 그래서 공기 대부분은 적외선을 그냥 통과시키고, 아주 적은 양의 온실가스가 열을 붙잡아요.

왜 질소·산소는 못 붙잡을까?

흔들릴 때 치우침이 바뀌어야 해요

2장에서 흔들리는 전하가 빛을 낸다는 것을 봤어요. 거꾸로, 빛(적외선)이 분자에 에너지를 주려면 분자 속 전하가 빛의 전기장과 박자를 맞춰 흔들려야 해요.

질소(N₂)·산소(O₂)처럼 같은 원자 두 개로 된 분자는 아무리 늘었다 줄어도 전기적으로 한쪽에 치우치지 않아요. 적외선과 주고받을 ‘손잡이’가 없는 셈이에요. 원자 하나뿐인 아르곤은 진동할 것도 없어요.

탐구 정리N₂·O₂는 어떻게 흔들려도 치우침이 생기지 않아 적외선을 흡수하지 못해요. CO₂는 대칭으로 늘일 때는 치우침이 상쇄되지만, 비대칭으로 늘이거나 굽힐 때 치우침이 변해 적외선을 흡수해요. H₂O는 세 가지 진동 모두에서 흡수해요.

반면 이산화탄소, 수증기처럼 진동할 때 치우침이 생기는 분자는 적외선을 흡수해 더 크게 진동하고, 그 에너지를 다시 사방으로 내보내요. 일부는 다시 땅으로 돌아와요. 수증기는 진동뿐 아니라 회전할 때도 적외선을 흡수해 특히 강한 온실가스예요.

그렇다면 이렇게 적외선을 흡수하고 다시 내보내는 온실가스는 지구에서 어떤 역할을 할까요? 5장의 −18 ℃와 실제 15 ℃ 사이의 수수께끼를 7장에서 풀어 봐요. 어떤 온실가스들이 있고 어디서 나오는지는 8장에서 모아 볼게요.

핵심 정리

  1. 1856년 푸트와 1859년 틴들의 실험으로, 이산화탄소와 수증기가 열(적외선)을 흡수한다는 것이 밝혀졌어요.
  2. 공기의 99% 이상을 차지하는 질소·산소·아르곤은 적외선을 거의 흡수하지 않아요.
  3. 분자가 진동할 때 전기적 치우침(쌍극자 모멘트)이 변해야 적외선과 에너지를 주고받을 수 있어요.
  4. 이산화탄소의 굽힘 진동(약 15 μm)은 지구가 많이 내보내는 적외선 파장과 겹쳐 특히 중요해요.

생각해 볼 문제

  1. 전자레인지는 음식 속 물 분자를 흔들어 데워요. 물 분자가 전자기파의 에너지를 잘 받는 까닭을 이 장의 내용으로 설명해 보세요.
    생각을 정리한 예시

    물 분자는 굽은 모양이라 원래 전기적 치우침이 있어요. 그래서 전자기파의 전기장이 바뀔 때마다 분자가 돌고 흔들리며 에너지를 받아요. 전자레인지는 적외선보다 파장이 긴 마이크로파를 쓰지만, ‘치우침이 있어야 에너지를 주고받는다’는 원리는 같아요.

  2. 대기의 99%를 차지하는 질소와 산소가 적외선을 흡수한다면, 지구의 온도는 어떻게 될까요?
    생각을 정리한 예시

    대기가 적외선을 훨씬 많이 붙잡아 지구가 지금보다 훨씬 뜨거웠을 거예요. 아주 적은 양의 온실가스만 적외선을 흡수하기 때문에, 그 양이 조금만 변해도 지구의 에너지 균형이 민감하게 달라져요.

배운 내용 확인하기

7문제로 이 장의 내용을 떠올려 보세요. 답을 고르면 설명이 이어져요.

근거 노트NOAA · 틴들과 온실가스의 발견 ↗NASA · 온실가스는 어떻게 열을 붙잡을까 ↗UCAR · 온실효과와 온실가스 ↗