온실가스는 어떻게 온실효과를 일으키는가?

인간의 풍요로운 삶에 의해 지구온난화가 발생되었음을 어느 누구도 부인하지 않습니다.
온실기체가 대기 중에서 어떤 메커니즘으로 온실효과를 발생시키는지 알아보겠습니다.  태양으로부터 오는 빛 에너지가 지구대기 구성 물질을 어떻게 변화시키는지 알면 지구가 왜 더워졌는지 원인을 알 수 있습니다. 급격하게 올라가는 기온의 상승폭을 줄이는 방법들을 모색하고 지속 가능한 지구생활을 영위할 수 있는 생활을 실천해 봅니다

온실가스의 온실효과

지구는 항성인 태양을 중심으로 수성, 금성에 이어 3번째로 공전하는 행성입니다.
지구의 남극점은 영하 60도까지 떨어지고 어느 지역은 영상 40도가 훌쩍 넘은 곳도 있습니다.
그럼에도 불구하고 생명체가 살수 있는 이유는 춥지도 덥지도 않은 데다 대기가 있는 등 기가 막힌 우연의 일치로 태양계에 위치하고 있기 때문입니다.
태양과의 거리가 지구와 비슷한 달에서 생명체가 살수 없는 이유는 표면온도가 최저 영하 233도, 최대 영상 123도로 엄청난 온도 차이 때문입니다.
게다가 질량이 지구의 1/6으로 중력이 약해 대기를 형성할 수 없습니다.
우주에서 찍은 지구의 사진을 보면 태양이 비치는 쪽에 하얀 테두리가 있는데 이것을 대기라고 합니다.
지구의 대기는 춥거나 덥지 말라고 덮는 이불과 같은 역할로 지구의 온도를 생명체들이 살수 있게 적당히 유지시켜줍니다.
태양과의 거리와 중력, 대기 이 모든 것들은 지구에 생명체가 존재할 수 있게 만들어진 기가 막힌 우연의 환경 조건들입니다.
해수면에서 해발고도 1000km를 대기권이라고 합니다.
대기권을 구성하는 기체의 99.997%는 질소, 산소, 아르곤 등이 있습니다. 
질소 78% 산소 20% 아르곤 0.9%로 얘들을 합치면 99.6%나 됩니다.
그 이외에 이산화탄소가 0.39445% 약 400ppm 정도이고 극 미량의 네온, 헬륨, 크립톤과 같은 비활성 기체들, 아산화질소, 일산화탄소, 메탄, 수증기가 0.4% 정도입니다.
이 기체들은 중력장에 의해 지구를 탈출할 수 없어 내부에서 순환할 수밖에 없습니다.
이 기체들이 지구의 중력장을 벗어나려면 별다른 추진력 없이 초기 속도 11.2km/s (마하34)가 되어야 합니다.
이 속도는 40초 만에 서울에서 부산까지 도착할 수 있습니다.
사실, 지표면에서 기체분자들이 이 정도의 속도를 가지는 것은 불가능에 미치어 영원히 탈출하지 못해 지구 내에서 순환을 할 수밖에 없습니다.
지구 중력장에 묶인 이 기체분자들이 어떻게 적당한 온도를 만들어 지구에 생명체들을 살수 있게 만들까요?
태양에서 오는 생명의 에너지원인 빛입니다.
빛은 파장의 길이에 따라 에너지의 힘이 다릅니다.
파장의 길이가 짧을수록 에너지가 셉니다.
빛의 파장에는 가시광선, 적외선, 자외선, x선, 감마선, 마이크로파, 전파 등이 있습니다.
가시광선은 우리 눈에 보이는 영역으로 빨,주,노,초,파,남,보 무지개 색깔입니다.  보라색을 넘어 자외선영역은 파장이 짧고 에너지도 강합니다.  반면 빨간색 넘어 적외선은 파장이 길고 에너지도 약합니다.
일정한 온도를 가지는 모든 물체는 복사 에너지를 방출합니다.
태양으로부터 오는 복사에너지인 가시광선, 자외선, 적외선들을 지구가 흡수하면 온도가 올라갑니다.  그리고 높아진 온도의 에너지를 다시 우주로 방출해야 합니다.
이렇게 에너지가 평형을 이뤄야 지구의 연 평균기온이 일정하게 유지될 수 있습니다.
물체가 가진 온도에 따라 방출되는 에너지는 빛과 세기가 다릅니다.
평균온도가 14도 정도 되는 지구는 에너지 준위가 낮은 적외선의 빛을 방출합니다.
표면온도가 5800도인 태양과 같은 별은 자외선과 강한 가시광선의 빛을 방출합니다.
강력한 태양복사에너지의 30%는 지구에 도달하자마자 우주로 반사되고 나머지 70%는 지구의 대기, 지각, 해양 등에 흡수되었다가 지구 복사에너지는 다시 우주로 방출됩니다.
이런 에너지 이동때문에 지구는 적당한 온도를 유지할 수 있는 태양계 유일한 행성이 됩니다.
지구의 대기는 오존층 의해 태양의 강력한 에너지인 자외선을 차단하고 지구내부에 열을 가두어서 온도를 일정하게 만듭니다.
대기 중 온실기체는 지구복사에너지인 적외선을 흡수했다가 다시 지구로 보내는 특성으로 온실효과를 일으키는 기체입니다.  대기중 가장 많은 성분인 질소, 산소, 아르곤과 같은 기체를 뺀 수증기, Co2(이산화탄소), CH4(메테인), No(아산화질소), O3(오존) 등을 온실기체라고 합니다.

태양복사에너지 중 빛은 분자운동에 어떠한 영향을 미칠까요?

자외선과 같이 에너지가 강한 빛은 분자결합을 파괴합니다.
적외선이나 마이크로파처럼 에너지가 약하고 파장이 긴 빛은 분자가 진동하거나 회전운동을 하게 합니다.
쌍극자(multipole moment)는 물리학에서 전기적 또는 자기적인 특성을 나타내는 양을 나타냅니다. 분자의 쌍극자는 전기적인 쌍극 모멘트를 가리킵니다. 쌍극 모멘트는 분자 내에서 양성과 음성 전하 사이의 거리와 방향에 따라 정의됩니다.
분자 내에서 전하가 불균등하게 분포되어 있을 때 쌍극 모멘트가 발생합니다. 이는 전기적으로 양성이나 음성의 중심에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 나타내는 것입니다. 쌍극 모멘트는 다음과 같이 정의됩니다.

깊이가 있는 온실기체의 정체

온실기체 분자의 움직임 (진동, 회전운동)은 분자 구조 내에 양전하와 음전하를 띠는 부분이 얼마만큼 있는지에 따라 달라집니다.
분자 구조 내에서 음전하와 양전하 사이의 거리와 방향에 따라 나타나는 특성을 쌍극자라고 합니다.
쌍극자는 서로 다른 원자들이 만나 분자를 형성할 때 각 원자가 가지는 전기 음성도 즉, 전자를 얼마나 좋아하는 지의 차이에 의해 발생합니다.
즉, 온실기체는 분자의 양전하와 음전하 분포에 따라 분자간 상호작용, 국부전하, 용해도 등의 특성을 지닌 쌍극자 상태가 됩니다.
예를 들어, H2O인 물을 보면 수소와 산소가 전자를 공유하는데 산소의 전기음성도가 수소보다 큽니다.
결과적으로 전자를 수소와 산소가 공평하게 공유하는 게 아니라 산소 쪽으로 전자가 완전 쏠려버립니다.
그래서 산소는 음전하를 수소는 양전하를 띄어 전자가 산소 쪽에 완전 몰려 있기 때문에 매우 큰 쌍극자가 나타납니다.
온실 기체인 Co2(이산화탄소)는 분자 내에서 전자가 산소 쪽으로 쏠려 상대적인 음전하를 띄고 탄소는 양전화를 띄게 됩니다. 
대기 중에 가장 많은 N2나 O2는 동일한 원소가 결합된 분자로 쌍극자가 나타나지 않습니다.
CH4(메탄)도 쌍극자를 나타내지 않습니다.  탄소주위에 대칭적으로 수소4개가 배치되어 안정된 분자구조를 가지고 있습니다.
메탄은 네 개의 수소 원자가 중심 탄소 원자 주위에 균등하게 배치된 구조를 가지고 있습니다. 탄소와 수소는 전기음성도 차이가 크지 않으며, 분자 전체적으로 전하가 균등하게 분포되어 있습니다.
극성을 띄지 않기(비극성) 때문에 다른 분자들과 상호작용이 상대적으로 약합니다.
 극성 또는 비극성 기체의 운동 
비극성 기체(쌍극자가 나타나지 않는)N2(질소)와 O2(산소) 같은 분자들은 적외선과 같은 파장이 긴 에너지를 받으면 마치 두 팔을 동시에 뻗었다 접었다 하는 것처럼 대칭적으로 움직입니다. 
이들의 운동은 적외선 파장을 거의 흡수하지 않아 열이 발생하지 않습니다. 
반면, 극성 기체(쌍극자가 나타난) Co2, H2o등은 탄소나 산소를 중심으로 구부러진 상태로 뒤뚱거리는 비대칭 움직임(회전, 진동)이 나타납니다.  
극성이 있는 온실기체 분자는 적외선 파장을 흡수하여 비대칭운동으로 열이 발생되고 대기는 열을 품게 됩니다.
그래서 지구의 온도를 적당히 유지시켜주는 중요한 역할을 합니다.

 지구온난화

위의 분자의 특성을 토대로 지구에 도달하는 태양 복사에너지와 지구 복사에너지를 비교하면,
태양복사 에너지 중 강력한 에너지(분자를 파괴해 생명체를 죽일 수 있음)를 가진 자외선은 대기중 오존이 흡수하여 지표면에 도달하는 양이 적습니다.
지구복사에너지 중 파장이 긴 적외선을 극성분자(온실기체)들이 흡수하여 열이 발생됩니다.
그래서 대기는 열을 품어 온실효과가 생깁니다. 여기서 흡수되지 못한 적외선은 우주로 방출됩니다.
 이산화탄소를 기준으로 메탄가스와 아산화질소의 온실효과를 비교하면 메탄은 25배 ~ 28배, 아산화질소는 280배~300배로 높습니다.
메탄과 아산화질소가 이산화탄소보다 에너지가 높은 적외선 파장을 흡수하기 때문입니다.
대기에서 이 기체들의 온실효과 기여도를 보면 수증기와 구름이 36~72%, 이산화탄소가 9~26%, 메탄이 4~9% 오존이 3~7%를 차지하고 있습니다.
이산화탄소는 대기 중에 0.04%를 차지하지만 가장 높은 온실효과 기여도를 보입니다.
온실기체들의 증가로 온난화가 가속화 되어 기후가 변한 이유로 이산화탄소가 지적되고 있습니다.
산업혁명 이전 대비 약 150여년동안 지구 평균 온도가 1도를 넘어 상승하였습니다.
기후를 관측한 이래로 가장 빠른속도의 온도 변화입니다.
이런 급격한 온도변화는 환경적응을 위해 진화하는 생물들에게 엄청난 영향을 끼칩니다.
변화에 적응 못한 생물종은 결국 멸종에 이를것입니다.