지표면 에너지 부근 균형
지표에 도달한 태양복사 에너지의 일부는 반사되고, 나머지는 지중에 흡수되고, 그 비율은 지표상태(물, 땅, 얼음, 등)에 따라 다름.
바다
물은 비열이 높고, 해양 상층부에서의 대류는 약 100m의 혼합층에 열을 보낸다.
해양은 막대한 열저장 용량을 가지고 있고, 온도변화는 느리며, 계절의 변화도 육지보다 시간차이가 있다.
육지
육지는 열저장 용량이 상대적으로 작고, 비열은 평균적으로 물의 약 1/4정도이다. 지표면으로부터 지표 아래로의 열 이동 메커니즘은 열전도(heat conduction)이고, 토양의 경우에 열전도는 작다.
온도의 일변동은 1m 이하, 연변동일 경우는 수 m 깊이까지.
육지의 표면은 빠르게 가열되고, 빠르게 에너지 균형을 이룬다. 예를 들어, 태양복사흡수량의 급격한 증가는 빠른 온도 상승을 야기한다. 증가된 장파복사는 전도 등 온도변화에 관련되는 현열, 증발 등 상태변화와 관련된 잠열과 함께 거의 정확하게 에너지 균형을 이룬다.
육상에서의 에너지 균형
지구 표면에 도달하는 순 복사량(Rn; Net radiation)은 다음 식과 같이 묘사될 수 있다.
(16)
각 항은 열 플럭스 (즉, 단위 시간당 단위 면적을 통과하는 열 전달율). 단위는 Jsˉ¹mˉ² 또는 Wmˉ².
Rs⇓:
하향 태양복사 플럭스 또는 일사량. 직달(direct) 또는 산란(diffuse) 복사를 포함하고, 0.3~4.0㎛의 범위에서 일어나며, 0.4~0.7㎛의 범위에서 절반이 발생.
Rs⇑:
반사된 태양복사량. α Rs⇓와 같다. 여기서 α 는 알베도(Albedo).
Rl⇑:
구름, 에어로솔, 그리고 수증기나 CO2와 같은 태양복사의 흡수에 관여하는 기체들로부터 방사되어 들어오는 장파복사량.
Rl⇑:
지표로부터 나가는 복사량. 대부분의 자연 지표면(natural surfaces )의 방사율은 ~1에 가깝기 때문에, Rl⇑σTs4이고, 여기서 Ts는 지표면 온도. 최대온도 시간에서 가장 크고, 최소온도 시간에 가장 적다.
그림 18. 맑은 여름날 잔디 지표면에서의 에너지 수지 (영국 로댐스테드, 북위 52도)
순복사량의 활용
(17)
각 항은 양 또는 음의 값을 가짐.
Rn 순 복사량 또는 순복사 플럭스. 단위 시간(초)당, 단위 면적 당 입사되는 순 복사 에너지
G 지중 플럭스. 전도에 의한 육지에서의 열 흐름
H 현열 플럭스. 분자 확산에 의해 층류경계층을 통하여 대기로 전달된 현열
LE 잠열 플럭스. 잠열×증발률로 수분 증발(얼음 상태 포함)에 사용되는 열
야간
지표면 온도가 지표 아래 온도보다 낮을 경우, 열 에너지는 상향 전도될 수 있고, 또한, 응결되면 잠열이 증가.
해양
LE가 H보다 크다.
육지
LE와 H가 비슷한 크기이지만, 지표 종류에 따라 상당히 다양.
입사되는 복사량이 방출되는 복사량을 초과하면 지표온도는 상승
들어오는 복사량이 나가는 복사량보다 적으면 지표온도는 하강
최대 또는 최소 기온의 발생은 입사 복사량과 방출 복사량이 같아지는 시점에서 발생(그림 19).
그림 19. 입사되는 복사량(SW)와 방출되는 복사량(LW)의 균형. (열 전도 및 난류 전달 무시)
보우엔 비(Bowen ratio)
잠열과 현열 플럭스의 상대적인 중요성은 보우엔 비(Bowen Ratio)로 알려진 파라메터로 정량화 가능.
보우엔 비는 현열 플럭스와 잠열 플럭스의 비로 다음과 같다.
(18)
보우엔 비는 다음의 식에 의해서 근사될 수 있다.
(19)
r 습도혼합비(Humidity Mixing Ratio)
Cp 정압비열
L 증발 잠열
전형적인 주간의 β 값:
- 열대 해양 상: ~0.1
- 습한 열대 밀림: 0.1~0.3
- 온대 산림 및 초원: 0.4~0.8
- 반건조(semi-arid )지역: 2~6
- 사막: >10
수분 변화에 따른 β 값:
그림 20은 한 지점에서 지표가 습윤 및 건조 상태일 경우의 의 변화.
지표가 습한 경우에 β값은 작고, 최대온도는β가 큰 값이었을 때만큼 도달하지 못한다.
이것은 태양복사의 많은 양이 지표 수분의 증발에 소비되기 때문.
따라서, 사막에서의 주간 온도는 같은 위도 상의 열대 우림 지역에 비해 매우 높다.
그림 20. 초원지대에서의 순복사량(Rn)의 에너지 균형 24시간 변동 (미국 네브라스카 초원지대):
(a) 강수 후, (b) 건조하고 맑은 날씨
출처: 기상청
