에너지의 흐름은 전도, 대류, 복사의 세 가지 방법으로 일어날 수 있다. 열전달의 세 가지 기구는 동시에 작용할 수 있다. 또한 이러한 과정들은 협력하여 태양과 지구, 지표-대기와 우주 사이의 열을 이동시킨다.
전도
전도(conduction)는 한 분자에서 또 다른 분자로 전자와 분자가 충돌하면서 열이 전달되는 것이며, 열의 전도율은 물질마다 각기 다르다. 뜨거운 숟가락을 만져 보면 금방 알 수 있듯이 금속은 좋은 전도체이다. 반면에 공기는 열을 잘 전도하지 못한다. 따라서 전도는 지표와 지표에 맞닿아 있는 공기 사이에서만 중요한 역할을 한다. 그러므로 대기 전체의 열 수송 측면에서 볼 때 전도는 그리 중요하지 않으며, 대부분의 기상 현상들을 고려할 때 무시될 수 있다.
공기와 같이 전도율이 낮은 물체는 절연체라고 부른다. 코르크, 플라스틱 제품, 그리고 거위 털 같은 좋은 절연체들은 대부분 그 안에 수많은 작은 공기층을 가지고 있다. 갇혀 있는 공기의 낮은 전도율이 바로 이러한 물체들의 절연 가치를 결정한다. 눈 역시 낮은 전도체(좋은 절연체)이다. 다른 절연체와 마찬가지로, 막 내린 눈은 열의 흐름을 지체시키는 수많은 공기층을 가지고 있다. 그런 이유로 야생동물들은 종종 '추위'를 피하려고 눈 더미 속으로 파고든다. 눈은 거위 털 이불같이 열을 주지 않고 단지 동물의 체온이 떨어지는 것을 지연시킨다.
대류
지구의 대기와 해양의 열 수송의 많은 부분이 대류에 의해서 일어난다. 대류(convection)는 물체의 실제 운동 혹은 순환을 수반하는 열의 이동이다. 대류는 공기나 물같이, 즉 기체나 액체같이 흐르는 유체들에서 발생한다. 고체 속의 원자나 분자들은 일정한 접촉점에서 진동하기 때문에 고체 안에서의 열전달은 전도에 의해서 일어난다.
모닥불 위에서 데워지는 물 냄비는 간단한 대류 순환의 특성을 설명해 준다. 모닥불은 냄비 바닥을 데워 안에 있는 물속으로 열을 전도한다. 물은 상대적으로 전도율이 낮으므로 냄비 바닥 쪽에 있는 물만이 전도에 의해서 데워진다. 가열은 물을 팽창하게 하고 밀도를 떨어뜨린다. 냄비 바닥의 물은 위로 올라가고 위쪽의 차갑고 밀도가 높은 물은 가라앉는다. 물이 바닥에서부터 가열되고 위쪽에서 식는 한, 대류 순환을 만들어 내는 이러한 회전이 계속될 것이다.
같은 방법으로 복사나 전도에 의해 대기 최하층이 받는 열의 상당 부분이 대류에 의해서 더 높은 대기층으로 수송된다. 예를 들면, 맑고 더운 여름날 갈아서 일군 땅 위의 공기가 주변의 농경지보다 더 많이 가열된다. 따뜻하고 밀도가 낮은 갈아 일군 땅 위의 공기가 위로 뜨면서 농경지 위의 더 차가운 공기가 이를 대신하게 된다. 이러한 방법으로 대류 흐름이 발달한다. 상승기류의 따듯한 덩어리를 열 기포(thermals)라고 부르며, 행글라이더 조종사들이 비행기를 계속 상공으로 날 수 있도록 한다. 이러한 형태의 대류는 열을 전달할 뿐만 아니라 수증기를 높이 수송한다. 그 결과 더운 여름날 오후에 구름이 많이 끼는 것을 종종 보게 된다.
거대한 규모의 대기의 전 지구적 순환은 지표면의 불균등한 가열로로 인해 유도된다. 이렇게 복잡한 운동들은 더운 적도 지방과 혹한의 극지방 사이의 열의 재분배를 담당한다.
대기 순환은 연직 및 수평 성분을 포함하므로 열 수송도 연직 및 수평 방향으로 일어난다. 기상학자들은 상향 및 하향 열 수송을 포함하는 대기 순환 부분을 설명하기 위해 종종 대류라는 용어를 사용한다. 대조적으로, 이류(advection)라는 용어는 대류의 수평적 이동을 표현하는 데 사용된다. 중위도지방에 사는 사람들은 이류에 의한 열전달 효과를 종종 경험하게 된다. 예를 들면, 1월의 캐나다의 찬 공기가 중서부 지방을 강타할 때 혹한의 겨울 날씨를 몰고 온다.
복사
세 번째 열전달 방법은 복사(radiation)이다. 전도나 대류와는 다르게 열을 전달하는 매개체가 필요 없으며, 복사에너지는 진공 속에서도 쉽게 전달된다. 따라서 복사는 태양에너지를 지구에 도달하게 하는 열전달 기구이다.
-태양복사-
태양은 날씨를 움직이는 에너지의 궁극적인 원천이다. 우리는 태양이 가시광선, 적외선 그리고 자외선을 포함한 다양한 에너지를 가진 빛을 방출함을 알고 있다. 이와 같은 형태의 에너지들이 태양복사 에너지의 대부분을 차지하지만, 이들은 복사 또는 전자기복사(electromagnetic radiation)라 불리는 거대한 에너지 배열의 일부이다. X선, 마이크로파 또는 열파를 포함한 모든 종류의 속도는 빛의 속도로 알려진 초속 30만 km의 속도로 진공을 통과한다. 복사에너지를 생생하게 그려보기 위해, 조약돌을 던졌을 때 잔잔한 연못에 생기는 물결 모양을 생각해 보자. 연못에 생기는 물결같이, 전자기파들은 다양한 크기 또는 파장(wavelengths, 마루와 다음 마루 사이의 거리)을 갖는다. 라디오파는 수십 킬로미터나 되는 가장 긴 파장을 가지고 있지만, 감마파는 10억 분의 1cm보다도 작은 가장 짧은 파장을 가지고 있다. 단파 복사는 대개 백만분의 1m인 마이크로미터(micrometers, 줄여서 ㎛)로 관측된다.
복사는 종종 물체와 상호작용할 때 생기는 효과로 구분된다. 예를 들면, 우리 눈의 망막은 가시광선(visible light)이라 부르는 파장의 범위에 민감하다. 우리는 종종 광선의 색깔이 흰색으로 보여서 가시광선을 하얀빛이라고 한다. 그러나 하얀색은 실제로는 각각의 특별한 파장에 해당하는 색깔들의 배열임을 쉽게 알 수 있다. 분광기를 사용하면 하얀빛을 가장 짧은 0.4㎛ 파장의 보라색부터 가장 긴 0.7㎛의 빨간색까지 복사 무지개의 색깔로 분리할 수 있다.
빨간색과 인접하고 있는 더 긴 파장의 영역을 적외선복사(infrared radiaion, IR)라 하며, 우리가 볼 수는 없지만 피부가 열의 형태로 감지할 수 있다. 스펙트럼의 가시광서 영역에 가장 가까운 적외선 에너지만이 열로 감지할 수 있을 만큼 강하고 근적외선이라고 부른다. 가시영역의 반대쪽인 보라색 옆에 위치한 눈에 보이지 않는 파를 자외선복사(ultraviolet(UV) radiation)라고 하는데, 피부를 햇볕에 타게 하는 더 짧은 파장으로 이루어져 있다.
비록 우리가 감지할 수 있음을 근거로 복사에너지를 구분하였지만, 복사의 모든 파장은 비슷하게 작용한다. 물체가 한 형태의 전자기에너지를 흡수하면, 아원자 분자(전자)를 들뜨게 한다. 그 결과 분자운동이 활발해져서 온도가 상승하게 된다. 이처럼 태양으로부터의 전자기파는 우주를 통과하여 흡수되면서 대기, 지표-해수면 그리고 우리 몸을 구성하고 있는 분자들을 포함한 다른 분자들의 운동을 증가시킨다.
복사에너지의 다양한 파장 간의 중요한 한 가지 차이점을 차장이 짧을수록 에너지가 더 강하다는 것이다. 이러한 점은 같은 시간 동안 노출되었을 때 긴 파장의 복사보다 상대적으로 짧은(고에너지) 자외선이 피부 조직에 더 쉽게 피해를 줄 수 있음을 설명해 준다. 이러한 손상은 피부암과 백내장을 초래할 수 있다.
태양이 모든 형태의 복사를 방출하지만, 그 양이 각기 다름에 주목하는 것이 중요하다. 모든 태양복사의 95% 이상이 0.1~2.5㎛ 스펙트럼의 좁은 영역 내에서 방출되며, 이 에너지의 상당 부분이 전자기, 주로 가시 및 근가시 영역에 집중되어 있다. 0.4㎛~0.7㎛에 놓여 있는 가시광선은 방출된 에너지의 43% 이상을 차지하고, 적외선은 49%, 자외선은 7%를 차지한다. 태양복사의 1%보다 적은 양이 X선, 감마선 그리고 라디오파로 방출된다.
[ 복사의 법칙 ]
태양의 복사에너지가 지구의 대기와 지표-해수면과 어떻게 상호작용을 하는지를 더 잘 이해하기 위해서는 기본적인 복사 법칙들을 이해할 필요가 있다.
1. 모든 물체는 끊임없이 다양한 파장의 복사에너지를 방출한다.
태양과 같이 뜨거운 물체뿐만 아니라 지구도 에너지를 방출(지구복사)하고, 심지어는 극지방의 얼음모자도 방출한다.
2. 물체가 뜨거울수록 차가운 물체보다 단위 면적당 더 많은 에너지를 방출한다.
표면온도가 6000K에 달하는 태양은 표면온도가 288K인 지구보다 16만 배 더 많은 에너지를 방출한다.
3. 뜨거운 물체일수록 더 많은 에너지를 차가운 물체보다 더 짧은 파장의 복사 형태로 방출한다.
태양은 가시 영역인 0.5㎛에서 최대 복사 에너지를 방출하며 지구는 적외선(열) 영역인 10㎛ 파장에서 최대 복사에너지를 방출한다. 최대 복사에너지를 방출하는 파장이 지구가 태양보다 약 20배나 길기 때문에 지구복사를 장파복사(longwave radiation), 그리고 태양복사를 단파복사(shortwave radiarion)라 부른다.
4. 좋은 복사 흡수체인 물체는 또한 좋은 방출체이다.
지면과 태양은 각각의 온도에 대해서 거의 100%에 가깝게 흡수하고 방출하기 때문에 완전한 복사체에 가깝다. 한편, 대기를 구성하고 있는 기체들은 선택적으로 흡수하고 방출한다. 따라서 대기는 어떤 파장들에 대해서는 거의 투명하다(에너지의 대부분을 통과시킨다). 그러나 다른 파장들에 대해서는 거의 불투명하다(복사를 대부분 흡수한다). 우리의 경험상, 태양으로부터 방출된 가시광선은 지표면까지 잘 도달하므로, 대기가 가시광선에 상당히 투명함을 알 수 있다.
요약하면 태양이 복사에너지의 근본적인 원천이지만, 모든 물체는 끊임없이 다양한 파장의 에너지를 방출한다. 태양과 같이 뜨거운 물체는 대부분 단파(고에너지)복사를 방출하는 반면, 지구와 같은 온도가 낮은 물체들은 장파(저에너지) 복사를 방출한다. 지구 표면과 같이 복사에 좋은 흡수체는 또한 좋은 방출체이다. 반면에 대부분의 기체는 특정한 파장에서만 좋은 흡수체(방출체)이고 다른 파장에서는 열등한 흡수체(방출체)이다.
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