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
- 푸트와 틴들의 실험으로 어떤 기체가 열(적외선)을 흡수하는지 밝혀졌다는 것을 설명할 수 있어요.
- 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
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?
assets/illustrations/ch06-foote-jars.webp햇빛이 드는 19세기 실험대 위에 같은 모양의 유리병 두 개를 나란히. 각 병에 가는 유리 온도계가 꽂혀 있고, 오른쪽 병의 온도계 눈금 기둥이 조금 더 높이 올라가 있어요. 두 병은 마개와 색으로만 구별해요.
assets/illustrations/ch06-tyndall-tube.webp왼쪽 끝에 뜨거운 열원(구리 상자), 가운데 긴 놋쇠 관, 오른쪽 끝에 열 검출기와 바늘 계기. 관 옆에 기체 주입 밸브. 19세기 실험 장치 단면 삽화.
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
- 1856년 푸트와 1859년 틴들의 실험으로, 이산화탄소와 수증기가 열(적외선)을 흡수한다는 것이 밝혀졌어요.
- 공기의 99% 이상을 차지하는 질소·산소·아르곤은 적외선을 거의 흡수하지 않아요.
- 분자가 진동할 때 전기적 치우침(쌍극자 모멘트)이 변해야 적외선과 에너지를 주고받을 수 있어요.
- 이산화탄소의 굽힘 진동(약 15 μm)은 지구가 많이 내보내는 적외선 파장과 겹쳐 특히 중요해요.
생각해 볼 문제
- 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.
- 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.