알베도와 열용량

화창한 날 눈 덮인 풍경 속을 걸으면 어두운 안경을 쓰면 더 편안해질 수 있다. 빛이 눈을 다치게 할 만큼 충분히 밝을 수 있기 때문에, 여러분은 어두운 안경을 쓰는 것이 좋다. 일단 눈이 녹고, 땅이 식물로 카펫이 깔리면, 당신은 어두운 안경을 덜 필요로 할 것이다. 불빛이 그렇게 밝지는 않을 것이다.
우리는 물체에서 반사된 빛 때문에 그것들을 볼 수 있다. 이들의 색은 반사되는 빛의 파장과 양에 따라 밝기가 결정된다. 갓 내린 눈은 빛의 80~90%, 잔디는 18~25%를 반사하며, 이것이 눈을 건널 때 어두운 안경이 필요한 이유이다. 반면 잔디는 훨씬 더 칙칙하다.
표면에 의해 반사되는 빛의 비율은 '반사 계수' 또는 더 일반적으로 그 표면의 '알베도'라고 불린다. 측정할 수 있으며, 보통 분수 또는 백분율로 표시됩니다.
지구 표면의 약 70 퍼센트가 물로 덮여 있습니다. 알베도는 햇빛이 반사되는 각도에 따라 달라진다. 태양이 하늘에 있을 때보다 훨씬 더 많은 빛이 반사되고 물은 더 밝게 보인다; 후자의 경우 대부분의 빛은 물을 통해 흡수되고, 물은 어둡게 보인다. 물이 고요한 이른 시간과 늦은 시간, 심지어 시원한 날씨에도 노천 보트의 탑승자들은 꽤 빨리 햇볕에 그을릴 수 있다.
반사된 방사선은 표면을 따뜻하게 하지 않으며, 알베도는 중요한 기후 영향을 미치며, 인간의 개입에 의해 변형될 수 있다. 예를 들어, 밭작물을 재배하기 위한 열대 우림의 청소는 거의 변화가 없지만, 만약 그 변화가 가축을 먹이기 위한 숲에서 목초지로 바뀐다면, 알베도는 두 배가 될 수 있다. 이 경우, 땅은 열을 덜 흡수해서 물의 증발이 적고 구름이 덜 형성될 것이다. 그러나 이것은 평균적인 구름 알베도를 감소시킬 것이기 때문에, 표면에 도달하는 방사선의 양을 증가시키고 그것을 다시 따뜻하게 하며, 더 많은 물을 증발시키고 다시 한번 구름을 증가시키지만, 반드시 원래의 값으로 증가하는 것은 아니다.
이 다소 복잡한 관계는 중요한 점을 보여준다. 기후는 피드백 효과의 영향을 강하게 받는다. 대부분의 경우, 우리의 예와 같이, 이것들은 부정적인 피드백으로서 조건을 안정화시키는 경향이 있지만, 긍정적인 피드백도 발생한다. 그것은 효과를 과장하기 때문에 빙하와 빙하가 녹기 시작할 때처럼 빠르게 느낄 수 있는 불안정한 효과를 가지고 있다. 결국 긍정적 피드백은 부정적 피드백에 의해 무시되고 불안정한 시스템은 새로운 수준의 안정성을 찾는다.
깨끗한 공기는 빛을 반사하지 않지만, 공기는 좀처럼 깨끗하지 않다. 그것은 '에어로졸'이라고 불리는 매우 작은 입자들을 포함하고 있다. 대류권 상층부와 외해의 저층부에서는 1㎤당 약 100~600개의 농도가 나타나지만 대륙의 저층부에서는 훨씬 더 높고 산업 지역에서는 수백만 개에 이를 수 있다. 그것들은 크기가 10⁻³에서 10²µm까지 다양하고 중력은 그것들에 거의 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 그것들은 너무 작기 때문이다. 이들은 단파 복사를 반사하여 행성 알베도를 증가시키는 경향이 있으며, 포화된 공기의 수증기는 약 0.5μm보다 작은 에어로졸에 응축되어 구름 형성을 촉진하고 알베도를 증가시킨다. 알베도를 증가시키는 것은 냉각 효과가 있지만 에어로졸은 적외선 파장에서 방사선을 흡수하기 때문에 저층 대기에 있는 것도 온난화 효과가 있다. 설상가상으로, 눈을 깨끗이 하기 위해 정착하는 에어로졸은 알베도를 감소시키면서 그것을 '더럽게' 만든다.
에어로졸은 화산에 의해 공기 중으로 방출되는데, 이는 바다의 물방울이 증발할 때 소금 결정이 형성되는 것, 산불로부터 형성되는 것, 그리고 바람에 의해 상승되는 작은 토양 입자로 형성되는 것이다. 그것들은 또한 다양한 인간 활동, 특히 연료의 연소에 의해 생산된다. 인간의 활동과 직접적으로 연관된 자연 자원을 분리하는 것은 어렵고, 둘 다 계절마다, 그리고 연도마다 다르지만, 평균적으로 농업과 산업이 공기 중 입자 물질의 약 3분의 1을 차지한다. 예를 들어, 숲의 개간과 반건조 지역의 주변 토지의 과도한 방목은 바람에 날리는 토양으로 작은 입자들의 대량 주입으로 이어진다.
때때로 사람들은 기후 변화를 유발하기 위해 알베도를 변경할 것을 제안한다. 예를 들어, 대류권 상부에 주입된 입자는 원형 구름의 형성을 증가시킬 수 있으며, 성층권에 주입된 입자는 몇 년 동안 행성 알베도를 증가시킬 수 있다. 두 경우 모두 필요한 입자의 양이 엄청날 것이다. 사막의 알베도를 줄이는 것도 가능할 수 있는데, 넓은 지역을 검은색으로 칠함으로써 가능할 수 있다. 이러한 '열산'은 대류를 자극하여 비를 방출하는 적란운의 형성으로 이어지기를 바란다. 대부분의 기후학자들은 그러한 계획을 경계하며, 그들이 효과를 발휘했을 가능성이 낮은 경우 예상치 못한 결과가 불쾌할 수도 있다고 의심한다. 다행스럽게도, 아마도, 그들의 높은 비용은 그들을 정부에게 매력적이지 않게 만든다.
다양한 알베도는 일부 표면이 다른 표면보다 더 많은 태양 에너지를 흡수한다는 것을 의미하지만, 열이 흡수되는 방식에도 큰 차이가 있다. 정말 더운 여름날 해변의 모래 표면 온도는 맨발로 걷는 것을 고통스럽게 할 만큼 충분히 높을 수 있는 반면, 물은 시원하지만, 모래와 물은 모두 같은 양의 일사량에 노출된다. 하지만 모래 속으로 발을 파보면, 곧 더 시원한 수준에 도달할 수 있다. 그 차이는 온도가 최고에 이르렀을 때인 1600시간에 사하라 사막의 모래 언덕에서 측정되었습니다. 공기 온도는 모래 표면의 온도인 40°C를 약간 웃돌았지만, 표면 아래 30cm는 약 38°C, 표면 아래 75cm는 25°C였다(BARY AND CHORLEY, 1982). 물론 일몰 직후에는 모래 표면이 서늘하게 느껴질 것이다.
물질마다 복사 에너지에 대한 반응이 다른데, 이는 열 용량이 다르기 때문이다. 열 용량은 적용되는 에너지의 양과 그 결과로 발생하는 온도 상승의 비율로 계산됩니다. 물의 열용량은 암석의 열용량보다 훨씬 크다. 이것은 바위나 바위로 만들어진 물질보다 물의 온도를 높이는 데 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미한다. 그것은 또한 물이 바위보다 훨씬 더 느리게 열을 잃는다는 것을 의미한다(Hidore and Oliver, 1993). 결과적으로, 물은 천천히 가열 및 냉각함으로써 일사에 반응하고, 빠르게 가열 및 냉각함으로써 착륙한다. 이것은 해변의 모래와 그 옆의 물 사이의 온도 차이를 설명하지만, 그것은 또한 심오한 기후적 영향을 미친다.
표면 아래에서 온도가 감소하는 속도는 물질의 전도도와 이동성에 따라 달라지며, 이는 대류에 의한 열 전달에 영향을 미친다. 모래 알갱이는 열을 잘 전달하지 못하기 때문에 차가운 모래 층이 상당히 얕은 깊이에 놓여 있습니다. 물은 열을 전달하는 데 그리 좋은 물질은 아니지만, 열은 대류를 통해 쉽게 이동하며, 바람에 의한 난류는 따뜻한 지표수와 그 바로 아래의 차가운 물을 혼합한다.