온실효과와 지구온난화란 무엇인가 화학 물질의 이중성

 온실효과는 좋은가 나쁜가? 당신이 이 질문을 하면, 대부분의 사람들은 그것이 나쁜 것이라고 대답합니다. 그 대답을 들은 후에, 다시 말하지만, 지구 온난화는 좋은가 나쁜가? 당신은 그 질문에 어떻게 대답할 것입니까? 나쁘다고 확실하게 대답했다면 반은 맞고 반은 틀렸다.

흔히 같은 것으로 오인되는 '온실효과'와 '지구온난화'1)는 같은 과학적 원인에서 시작됐지만 결과가 매우 다른 현상이다. 온실효과가 인류에게 좋다면 지구온난화(기후변화)는 나쁘다. 같은 과학 현상이나 같은 화학 물질도 반대의 결과를 낳을 수 있다. 왜 이러한 이중성이 나타나는가?

뜨거운 태양을 보지 마세요: 태양과 지구에서 나오는 방사능입니다.

지구상의 모든 생명체는 태양으로부터 에너지를 필요로 한다. 우리 인간도 마찬가지야. 태양은 3) 수소(H) 원자 4개가 열핵융합 반응2를 통해 헬륨(He) 원자로 전환되면서 에너지를 발생시키는 항성으로 질량의 약 0.7%가 사라진다. 이때 유명한 'MC 스퀘어'는 사라지는 질량과 생성되는 에너지의 관계를 표현한 방정식이다.

이 방정식에서 주목해야 할 점은 질량 자체의 변화량보다는 초속 3억m를 이동하는 빛의 속도를 질량의 변화로 제곱해야 발생하는 에너지량이 얻어진다는 것이다. 질량이 조금만 바뀌어도 엄청난 양의 에너지가 나온다.4)

태양 열융착 반응의 결과로 태양 표면의 온도는 약 5,800 K,5) 절대 온도, 즉 약 5,527 °C이다. 매우 뜨거운 스토브나 가열된 철에서 붉은 빛이 나오듯, 태양은 표면 온도에 맞는 빛(방사선)을 방출한다. 태양으로부터의 복사는 단파장과 고에너지 감마선에서부터 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 6) 그리고 긴 파장과 낮은 에너지를 가진 전파에 이르기까지 매우 다양하다.

태양 자체의 온도가 매우 높기 때문에 강한 에너지로 방출되는 방사선은 여러 종류가 있다. 태양을 맨눈으로 보면 눈의 광수용체 세포를 손상시킬 수 있기 때문에 절대 맨눈으로 태양을 보지 마세요. 다양한 유형의 방사선 중 태양과 지구 사이의 거리를 고려할 때 지구 표면에 도달하는 파장은 주로 자외선, 가시광선, 적외선이다.

자외선은 가시광선의 제비꽃 선 밖에 위치한 고에너지 파이다. 피부세포의 핵에서 유전정보를 담당하는 DNA 사슬의 화학적 결합(7)을 끊음으로써 암과 같은 돌연변이 세포를 만들거나 피부세포의 노화를 가속화할 수 있다. 가시광선은 프리즘을 통과하는 빛으로 무지개 색깔로 나뉜다. 적외선은 가시광선의 적색선 밖에 위치한 비교적 낮은 에너지 파이다.

온실효과는 무엇인가?

지구에 도달하는 태양 복사 중 약 17%가 지구 표면에 직접 반사되고, 나머지 83%는 지구에 흡수돼 표면과 해수면이 약간 따뜻해진다. 이 미지근한 지구에서는 저에너지 적외선이 방출되고, 지구 대기가 이 저에너지·장파장 복사를 효과적으로 가둬 지구 표면과 해수면의 평균 온도가 약 14~15℃를 유지한다. 이 현상은 '온실효과'라고 불린다.

온실효과는 지구에 도달하는 태양의 에너지가 지구를 따뜻하게 하고, 따뜻하게 데워진 지구의 에너지가 효과적으로 대기 중에 포착돼 순환돼 지구의 온도가 생명에 적합한 일정한 상태로 유지되는 현상이다. 겨울철 난방 없는 온실이 바깥에 비해 따뜻하고 일정한 온도를 유지하는 것처럼 말이다.

온실 효과의 원인에 대한 화학 분석을 통해 대기를 구성하는 가스 분자의 공유 결합 때문이라는 것이 밝혀졌다. 자연에서, 모든 원자의 전자는 고정된 위치에 있지 않고 파동의 형태로 움직이고 있다. 원자의 핵 주위를 계속해서 움직이는 전자의 위치를 촬영하는 것은 거의 불가능하다.

가끔 뉴스에서는 아주 높은 건물에서 밤새도록 자동차가 지나가는 영상처럼 자동차의 불빛이 구름처럼 퍼지는 모습을 상상하면 전자의 움직임을 더 쉽게 이해할 수 있다. 그래서 현대 원자 모델은 한마디로 전자가 구름처럼 원자핵 주위에 퍼져 있는 '전자 구름' 모델이라고 불린다.

공유결합에 의해 두 원자 사이에 위치한 전자들도 움직이고 있지만, 다른 전자들과 큰 차이가 있다. 단일 원자의 전자는 원자핵 주위의 공간에서 자유롭게 움직일 수 있지만, 두 원자가 공동으로 소유한 결합 전자(공유 전자)는 주로 두 개의 공 사이에 위치한 스프링처럼 두 원자핵 사이의 공간에 더 많이 머문다. 마치 가는 것처럼 운동하기

산소와 질소는 같은 원자가 전자를 공유하는 공유결합을 형성한다. 산소는 이중 결합이고 질소는 삼중 결합이다. 이 결합은 강하고 강하기 때문에 산소와 질소의 공유 전자의 진동 운동은 따뜻한 지구(실제로는 미지근한)에서 나오는 적외선 에너지와 거의 관계가 없다.

다만 산소(O)와 탄소(C)가 서로 다른 힘을 가진 두 원자에 결합해 공유전자를 끌어당기는 이산화탄소의 경우는 상황이 다르다. 탄소와 산소 사이에 위치한 전자는 두 원자 사이의 힘겨루기의 맥락에서 움직인다. 중간 탄소에서는 양쪽의 산소가 전자를 끌어당기지만, 왼쪽의 산소가 옆의 다른 분자와 새로운 상호작용을 하느라 바쁘다면(전자 당김(?) 더 많은 전자를 끌어당길 것이다. 또한 이 이산화탄소 분자의 공유 전자가 세 개의 원자핵 사이에서 진동할 때, 그 파장은 공교롭게도 미지근한 지구에서 방출되는 적외선 방사선과 유사하다.

자외선은 분자를 구성하는 탄소와 산소 원자 사이의 결합을 끊고 마이크로파는 분자의 회전을 활성화하지만 적외선 영역의 에너지는 탄소와 산소 사이의 공유 전자의 진동을 활성화시켜 결과적으로 이산화탄소의 에너지를 증가시킨다. 그것은 대기 온도를 따뜻하고 일정하게 유지하는 온실 효과를 만들어냅니다.

지구 온난화의 미움받는 원인인 이산화탄소

사실, 이산화탄소는 온실 효과를 일으켜 지구상의 생명체에 가장 큰 기여를 하는 온실 가스입니다. 이산화탄소는 미미한 양으로 좋은 기체였는데 산업혁명 이전 아주 오랜 기간 지구 공기의 약 0.03%(약 280ppm)를 차지했다. 그러나 산업혁명 이후 급속한 산업화로 석탄과 석유와 같은 엄청난 양의 화석연료가 연소되었다. 약 43% 증가했으며 현재 지구 온난화(지구 온난화) 원인의 60%를 차지하는 주범이다.