아이들에게 에너지 수송에 대해 설명하다 보면 가끔 이런 질문을 하기도 한다.
"에너지 수송이 왜 중위도에서 최대인가요?"
현재 2015 개정 교육과정에서는 이런 유형의 문제가 나오지는 않지만, 오늘은 갑자기 중위도에서 에너지 수송이 최대인 이유를 한번 써보고 싶어 졌다. 그래서 지구과학 모의고사 문제 두 가지를 활용하여 이를 풀어나가 보려고 한다.
1. 위도별 에너지 분포와 에너지 수송
이 그림은 복사 평형을 이루고 있는 지구가 흡수한 연평균 태양 복사 에너지와 방출한 연평균 지구 복사에너지를 위도에 따라 나타낸 것이다.
지구상에서 위도별 에너지 분포를 보았을 때 저위도 지방은 에너지 남고 고위도 지방은 에너지가 부족하다. 이는 지구가 구형이기 때문에 발생하는 현상이다.
저온의 몰체와 고온의 물체를 붙여 놓았을 때 에너지가 이동하듯이 저위도 지방에서 고위도 지방으로 남는 에너지가 수송된다. 물론 지구상에서 에너지를 전달하는 물질은 모두 유체이기 때문에 대류, 전도, 복사로 에너지가 수송된다. 그런데 왜 중위도에서 에너지 수송이 최대일까?
2. 중위도에서 에너지 수송이 최대인 이유
선생님이 앞에서 뒤로 각각의 학생들에게 사탕을 나누어 주는 상황을 가정해보자. 앞쪽에 있는 학생들은 자신이 가져야 할 사탕보다 1~3개 정도를 더 가지고 있고, 뒤쪽에 있는 학생은 1~3개 정도 모자라게 가지고 있다.
이때 학생들 사이에서 사탕이 이동하는 양을 한번 생각해보자.
뒤쪽으로 사탕을 넘길 때, 처음 학생은 자신이 가진 3개만을 넘긴다. 다음 학생은 받은 3개에 남는 사탕을 2개 더 얹어서 넘기고 다음 학생 또한 남는 사탕을 더 얹어서 넘긴다.
사탕이 남는 사람이 넘길 때 마다, 남는 양만큼이 누적된다. 그리고 사탕이 부족한 학생에게 넘어가면 부족량 만큼을 가지고 남는 사탕을 넘긴다. 다음 학생도 마찬가지일 것이다.
이때 사탕 이동량이 최대인 지점은 사탕 부족량이 0인 지점, 즉 평형인 지점에서 사탕 이동량이 최대인 것을 알 수 있다.
지구에서의 에너지 수송도 위의 예시와 같다. 에너지가 과잉인 지점에서는 에너지 수송 과정에서 남는 에너지가 계속적으로 누적된다.
따라서 받는 태양 복사에너지와 방출하는 지구 복사에너지가 같은, 평형인 지점에서의 에너지 수송이 최대이다. 고등학교 과정에서는 이 지점이 대략 위도 38도 지점이라고 배운다.
3. 남북 방향 연평균 에너지 수송량
그림은 대기와 해양에서 남북 방향으로 연평균 에너지 수송량을 위도별로 나타낸 것이다. 해양과 대기가 각각 수송량, 수송량이 최대인 지점이 조금씩 다른데 이는 에너지 수송 방법, 숨은열의 전달, 해양의 위치 등 다양한 원인에서 기인한다.
대기와 해양 모두 저위도 지방에서 고위도 지방으로 에너지를 수송하고, 수송량의 합을 모두 더하면 대략 중위도 지방인 위도 38도 지점에서 최대가 된다.
4. 결론 및 정리
저위도 지방에서 고위도 지방으로 에너지가 수송되는 과정에서 남는 에너지가 누적 되기 때문에, 흡수하는 태양 복사 에너지와 방출하는 지구 복사에너지가 같은 평형인 지점에서 에너지 수송이 최대가 된다.
오늘은 이 간단한 한줄의 문장을 아주 길게 풀어 써 보았다. 지구과학을 좋아하는 학생들에게 도움이 되었으면 한다.
