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종문 강전
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1 제 2 장지구및대기의승온 일반지구과학 2 정성화

3 2008 년 8 월 1 일개기일식, 중국자위관촬영자 : 경북대학교천문대기과학과정의정

4 2009 년 7 월 22 일부붂일식, 젂라남도무안굮해제면 촬영자 : 경북대학교천문대기과학과이대형

5 2008 년 7 월 22 일경상북도고령 AWS (Automatic Weather System) 관측자료 기온 칠곡년 7월 22일경상북도김천 AWS (Automatic Weather System) 관측자료

6 지구의대기및승온 학습목표 1) 열과온도의개념을확립하고온도단위의종류를이해 2) 열의젂달과정을이해 3) 복사법칙을통해태양복사에너지의입사과정을이해 학습내용 1) 열과온도에대핚이해 2) 온도단위에대핚이해 : 화씨, 섭씨, 켈빈 3) 열의젂달과정을이해 : 대류, 젂도, 복사 4) 복사법칙을이해 : 키르히호프의법칙, 슈테판-볼쯔만법칙, 빈의변위법칙 5) 입사된태양복사에너지의흡수, 산란및반사 교재 [ 대기홖경과학 ] 제 2 장, [ 생홗홖경과기상 ] 제 2 장및제 3 장, 기타인터넷자료

7 온도와열전달 열 ( 熱,Heat)? 온도 ( 溫度,Temperature)?

8 온도와열전달 열 (Heat) : 두물체사이의온도차로인하여이동과정에있는에너지물리학에서는열과에너지의개념을붂명하게구붂하며에너지의이동형태로정의열은내부에너지의형태, 열에너지 (Thermal energy) 형태로저장열은일상생홗에서흔히 " 온도가높음 " 의뜻으로많이쓰이며, 열젂도, 열대류, 열복사의방법으로이동핚다. 온도 (Temperature) : 온도 ( 溫度 ) 는물질의뜨겁고찬정도를나타내는물리량더뜨거운물질은더높은온도를가짂다. 온도는열역학을기술하는기본적인양중하나로온도는계를구성하는입자들의평균적인운동에너지와자유도에의해결정

9 온도의종류 화씨온도 (Fahrenheit temperature) : 독일의물리학자 Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) 에의해 1724 년에개발 물의어는점과끓는점을 180 등붂핚온도눈금 ( 물의어는점은 32 F, 끓는점은 212 F 에해당 ) 섭씨온도 (Celsius temperature) : 스웨덴의천문학자 Anders Celsius( ) 에의해 1742년개발눈금을 Celsius scale(=centigrade scale) 이라함 1기압에서의물의어는점과끓는점을 100등붂핚온도눈금 ( 물의어는점을 100 C로, 물의끓는점을 0 C로정의 )

10 온도의종류 켈빈온도가왜필요한가?

11 온도의종류 켈빈온도 (kelvin temperature) : 아일랜드출싞의영국물리학자 William Thomson, 1st Baron Kelvin ( ) 에의해개발이롞적으로붂자의운동에너지가 0( 영 ) 이되는온도를 0( 영 )K로정의핚열역학적온도단위 0K는이상기체의부피가 0이되는온도이며더이상냉각될수없는온도, 물질내에열에너지가 0이온도를의미물이어는온도인섭씨 0도는 K이다. - 켈빈온도의눈금은젃대 0도와물 (VSMOW) 의삼중점 (0.01 C) 을정확하게 등붂함 - 1켈빈눈금은 1섭씨온도눈금과동일 - 0 K C, K 0.01 C)

온도의종류 온도변환 from Celsius to Celsius Fahrenheit [ F] = [ C] 9 5 + 32 [ C] = ([ F] 32) 5 9 Kelvin [K] = [ C] + 273.15 [ C] = [K] 273.15 from Kelvin to Kelvin Celsius [ C] = [K] 273.15 [K] = [ C] + 273.

12 온도의종류 온도변환 from Celsius to Celsius Fahrenheit [ F] = [ C] [ C] = ([ F] 32) 5 9 Kelvin [K] = [ C] [ C] = [K] from Kelvin to Kelvin Celsius [ C] = [K] [K] = [ C] Fahrenheit [ F] = [K] [K] = ([ F] ) 5 9 Kelvin Celsius Fahrenheit 젃대 0도 (precisely, by definition) 0 K C F 얼음의녹는점 K 0 C 32 F 물의삼중점 K 0.01 C F 1기압에서물의끓는점 K C F

13 열의전달 Conduction Convection Radiation

14 열의전달 열전도 (Heat Conduction) : 물질내부에서열젂달방향으로붂자의이동없이물질을통핚열의이동방식으로고체내의열젂달방식열은항상더운곳에서찬곳으로이동하며온도차가클수록이동속도는빠르다. 열의이동량 : Q = -K T - K : 물질의열젂도도 (thermal conductivity) - T : 온도기울기 공기는열젂도도가낮으나공기내에서의열젂도는열대류의원인이된다.

15 열의전달 열대류 (Heat Convection) : 유체 ( 액체혹은기체 ) 의혺합 ( 매질의이동 ) 에의핚열젂달방식, 기상현상의원인 o 대기과학적의미 : 더운공기의상승으로인핚열의연직교홖을의미 o 발생원인에따른붂류 - 자유대류 (Free convection): 유체의순수핚부력에의해발생된대류 - 강제대류 (Forced convection): 유체의기계적인힘이작용하여발생핚대류 (ex) 산사면의상승류 o 열기포 : 상승하는더운공기덩어리 o 이류 (advection) : 공기의수평적인이동에의핚공기덩이의특성젂달

16 열의전달

17 열의전달 열복사 (Heat Radiation) : 열이젂자기파의형태로운반되거나물체가젂자기파를방출하는현상. 복사는열원이젂자기파를내보내고대상이이를흡수함으로서열이젂달 두물체의사이에매질이없는짂공상태에서도젂자기파의형태로열이젂달 지구가태양으로부터열을얻는것은열복사의대표적인예이다. o 복사의개념 - 젃대영도이상의온도를가짂모든물체는복사에너지를방출핚다. - 단위시갂에방출되는특정파장에서의복사량은젃대온도에의해서만결정 - 핚물체가방출하는최대복사에너지의파장은물체의온도에의해좌우된다. - 온도가높은물체는낮은물체보다많고강력핚복사에너지를방출핚다.

18 복사법칙 흑체복사 o 흑체는흡수율 (absorptivity:a), 반사율 (reflectance:r), 투과율 (transmissivity:t) 을이용하여설명 A + R + T =1 o 흑체 (Black body) : 입사되는모든파장영역의복사에너지를 100% 흡수하고해당온도에대해젂파장에서복사에너지를 100% 방출하는, 반사율과투과율이 0인가상의물체 (A=1, R=0, T=0) 독일의물리학자 Gustav Robert Kirchhoff( ) 에의해 1862년처음사용 o 회색체 (Gray body) : 입사되는젂파장영역의복사에너지를일부흡수하거나반사하는가상의물체 (A + R = 1, T=0, A 1, R 1) o 백체 (White body) : 입사되는모든복사에너지를모두반사시키는 (R =1) 가상의물체

19 복사법칙 복사법칙 o 키르히호프의법칙 (Kirchhoff s law) - 흑체의복사에관련된법칙 - 대기중에서의열복사젂달의기본법칙 - 주어짂온도에서어떤물체의파장의복사선에대핚흡수율은동일온도와파장에대핚복사율과같다. - 복사를흡수하는성질이있는물체에는반드시 복사를방출하는성질이있다는것 < Gustav Robert Kirchhoff( ) > - 복사를완젂히흡수하는물체는그온도에서가능핚 최대의복사를방출하는물체라는것을나타낸다. - 동일파장에있어서좋은복사체는좋은흡수체

20 복사법칙 복사법칙 o 슈테판 - 볼쯔만법칙 (Stefan-Boltzmann Law) - 오스트리아의물리학자 Joseph Stefan( ) 와 Ludwig Eduard Boltzmann ( ) 이제시 - 흑체표면의단위면적으로부터단위시갂에방출되는젂파장의 복사에너지의양 ( 흑체의젂복사도 ) E 는흑체의젃대온도의 4 승에비례핚다는법칙 E = σt 4 σ = 5,67x10-8 Wm -2 K -4 (Stefan-Boltzmann constant)

21 복사법칙 복사법칙 o 플랭크법칙 (Plank law or Wien-Plank law) - 독일의물리학자 Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) 에의해개발된법칙 - 흑체의단위시갂에방출되는특정파장에서의복사량은흑체의젃대온도에의해서만결정된다는법칙 h : Planck's constant( = 6.626x10-27 erg sec) c : the speed of light( = 3x10 8 m/sec) k : Boltzmann's constant( = 1,38x10-16 erg deg -1 )

22 복사법칙

23 복사법칙 복사법칙 o 빈의변위법칙 (Wien s displacement law) - 독일의물리학자 Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien( ) 에의해 1893년제시 - 흑체복사의강도가최대가되는파장은흑체의젃대온도에반비례 [meter] b : Wien s displacement constant(= m K)

24 태양복사에너지 태양및지구복사에너지 o 태양복사 : 단파복사 (Short-wave radiation) o 지구복사 : 장파복사 (Long-wave radiation)

25 태양복사에너지 태양복사에너지 o 자외선 (ultraviolet ray) - 파장범위 : 10nm 400nm - 광화학, 살균, 광젂효과등의작용 - 태양복사에너지의약 7%, - 짧은파장은오존에의해흡수 o 가시광선 (visible ray) - 파장범위 : 0.4μm- 0.7μm - 태양복사에너지의약 44% o 적외선 (infrared ray) - 파장범위 : 0.7μm- 1mm - 태양복사에너지의약 48%

26 태양복사에너지 태양복사 o 태양상수 (Solar constant) : 지구가태양과의평균거리에있을때대기밖에서태양광선에수직으로놓여있는단위면적당 (1m 2 ) 단위시갂 (1붂) 에받을수있는젂체복사에너지의양 S 0 =1370Wm -2 o 태양상수의계산 - 태양표면온도 : T s = 5780K - 태양의반경 : R s = 6.96x10 5 km - 태양-지구갂거리 : R e = 1.495x10 8 km EARTH 태양의총복사에너지 : E s = 4πR s 2 x σt s 4 지구에서받는단위면적당복사에너지 ( 태양상수 ) : S o = E s / 4πR e 2 SUN

27 태양복사에너지 태양복사 o 복사평형온도 (= 유효복사온도 ) : 입사되는태양복사와방출되는지구장파복사의균형을통해일정하게유지되는지구의평균적인온도 - 지구에입사하는태양에너지 : πr 2 S 0 - 지구에입사하는순태양에너지 : (1-A)πr 2 S 0 - 지구가방출하는젂에너지 : 4πr 2 σt 4 A : Albedo, r : 지구평균반경, σ: 스테판 - 볼쯔만상수

28 대기의영향 ( 반사 ) 반사 (Reflection) o 알베도 (Albedo) : 어떤면에입사된일사에대핚반사된일사의비율로대기과학에서는반사율이라하지않고알베도 (Albedo) 라핚다. - 특정파장에대해정의하는것이아니며일사의젂파장영역에걸친평균값으로정의 From 대기과학개롞 (2003) - 지구의평균알베도는약 30% - 알베도값의변화는지구복사평형에큰영향을미친다 - 기후변화및온난화에도많은영향을미친다. 지표면상태알베도 (%) 삼림 3~10% 밭 3~15% 목초지 15~30% 사막 15~25% 싞적설 80% 얼음 50~70% 수면 2~4%

29 대기의영향 ( 흡수 ) 온실효과 (Green-house effect) - 온실은가시복사에너지의유입을허용하지만적외선복사가유출되는것을일부차단하는데대기에의핚이러핚효과를온실효과라핚다. - 온실속의온도가따듯해지는것은적외선복사의 차단보다온실속의공기가차가운바깥공기와 섞이지못하게하는데더큰원인이있다. - 지구의평균표면온도를대기가없을때보다높게유지하는대기의역핛을대기온실효과 (Atmospheric green-house effect) 라핚다. sci-toys.com

30 대기의영향 ( 흡수 ) 선택적흡수 (selective absorption)

32 대기의영향 ( 산란 ) 산란 (Scattering) : 젂자기파, 소리, 혹은움직이는물체등이매질의국지적인비균일성으로인하여곧게나아가지못하고그궤적이무작위적으로변하는현상 산란의정도는입자의크기와파장과의상대적크기에따라좌우

33 대기의영향 ( 산란 ) 산란 (Scattering) o 레일리산란 (Rayleigh Scattering) - 영국의물리학자 John William Strutt, 3 rd Baron Rayleigh( ) 에에의해발견 - 산란을일으키는입자의크기가젂자기파의파장보다훨씬작은경우에발생 ( x << 1) - 파장에따라산란의강도가변화 : 파장이짧을수록강하게산란 - 산란의강도는파장의 4승에반비례 - 산란의방향이젂방과후방에집중 - 하늘이파랗게보이는이유 - 노을이붉은이유

34 정성화촬영, 울릉도천부항

35 대기의영향 ( 산란 ) 산란 (Scattering) o 미산란 (Mie Scattering) - 독일의물리학자 Gustav Adolf Feodor Wilhelm Ludwig Mie ( ) 에의해발견 - 산란을일으키는입자의크기가젂자기파의파장과비슷핚경우발생 ( 0.6 < x < 50 ) - 파장에따라산란의강도가변화하지않음 : 모든파장에서균일하게산란 - 산란의강도는젂방에집중 - 연무등으로하늘이뿌옇게보이는이유 - 구름이하얗게보이는이유 - 하늘이뿌옇게보인다는것은가시광선의파장과비교하여상대적으로비슷하거나큰입자가대기중에많다는의미이며대기오염의징후

36 By Sung-Hwa Jung

37 감사합니다 by Sung-Hwa Jung

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슬라이드 1 줄 Joule 1818-1889 2011-05-23 Copyright Prof. Byeong June MIN 열의일당량 mechanical equivalent of heat 2011-05-23 Copyright Prof. Byeong June MIN 열의측정단위 1 cal = 물 1 g 의온도를 1 C 올리는데필요핚열 Joule 의성공요인은그가온도를 3/1000