이산화탄소는 왜 온실가스의 원인인가?

이산화탄소는 왜 온실가스의 원인인가?

지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있는 것이 이산화탄소다.
하지만 이산화탄소는 왜 온실효과를 가질까?

왜 다른 공기 중의 분자인 산소나 질소에는 그러한 효과가 없는 것일까?
여기에는 분자가 가지고 있는 스프링과 같은 구조에 비밀이 있습니다.
 
Carbon dioxide is an IR active molecules that absorbs long infrared radiations emitted by the Earth’s surface.

It was the summer of 1856 and Eunice Foot was trying to identify the factors that influenced the heat from the Sun’s rays. Her experiments led to the conclusion that a closed environment rich in carbonic acid gas (now known as carbon dioxide) heated up much faster in sunlight than one with regular air. It also cooled down much slower when removed from direct sunlight.

그래도 조금은 익숙한 기체로 알고 있는 '이산화탄소'의 온실 효과에 대해 설명하는 자료입니다.

◆ 이산화탄소가 가진 온실 효과의 최초 발견자

19세기 아마추어 과학자 유니스 푸트 (Eunice Foote)

이산화탄소 등 온실효과가 지구 기후를 바꾼다는 가능성을 가장 먼저 주장한 것은 1961년에 발표된 존 틴달(John Tyndall; 1820-1893)의 연구로 알려져 있습니다.

그러나 실제로는 이산화탄소가 온실효과를 갖는다는 사실을 최초로 발견한 것은 19세기 여성 과학자 유니스 푸트(Eunice Foote) 였습니다.

그녀는 1856년 Circumstances affecting the heat of the sun's rays(태양광선의 열에 영향을 미치는 현상)라는 제목으로 미국과학진흥협회(AAS)에 논문을 발표한 바 있습니다.

그녀는 2개의 유리 실린더에 다양한 가스를 보내 태양광선을 댔을 때 온도가 어떻게 변화하는지 비교 실험했습니다.
그 결과 푸트는 탄산가스(이산화탄소)의 비율이 많을 경우 일반 공기보다 폐쇄공간은 빨리 가열되고 냉각되는 것도 느려지는 것을 발견한 것입니다.

그리고 그녀는 논문에서 "이 가스가 더 많이 공기 속에 포함되면 우리 지구를 더 고온으로 만들 것입니다."라고 했습니다.
시대에 앞선 푸트의 연구였지만, 그러나 그녀는 여성이었기 때문에 유감스럽게도 이 연구는 별로 주목받지 못했습니다.

그러나 그것은 현재 우리가 잘 알 수 있듯이 지구 환경을 위협하는 현실적인 위협이 되고 있습니다.
그렇다면 왜 이산화탄소는 온실효과라고 불리는 현상을 일으키는 것일까요?

◆ 이산화탄소가 온실효과를 일으키는 이유
온실효과를 말할 때 문제가 되는 열원은 적외선입니다.
단, 여기서 사용하는 적외선은 태양광으로 들어오는 것이 아닙니다.

온실효과에서 문제가 되는 것은 지구 표면에 의해 반사되는 적외선입니다.
공기 중의 주성분인 질소나 산소는 이 적외선 방사와는 상호작용하지 않고 투과시킵니다.

그런데 이산화탄소는 적외선 활성을 일으켜 그 에너지를 흡수하게 됩니다.

왜 그런 일이 일어날까요?
여기서 중요한 것이 분자의 구조입니다. 분자는 원자의 결합으로 이루어져 있습니다.
이 원자끼리의 결합은 일정한 거리에서 고정되어 있는 것이 아니라, 실은 스프링과 같은 상태로 되어 있습니다.

즉 항상 오그라들고 진동하고 있는 것입니다.

그리고 이 분자의 진동수와 일치하는 광선이 닿았을 때 그 분자는 격렬하게 진동하게 됩니다.
이산화탄소의 진동수는, 딱 적외선의 주파수(진동수)와 일치하기 때문에, 공명하듯이 격렬한 진동을 일으켜 버리는 것입니다.

이산화탄소는 적외선의 영향을 받기 쉽고 또한 구조적으로 전기적 특성이 흐트러지기 쉽다. 산소와 질소에는 이런 영향이 없습니다.

또, 이산화탄소는 격렬하게 진동했을 경우에 분자가 가지는 쌍극자 모멘트(즉, 전하의 분포)가 흐트러져 버립니다. 반면 질소와 산소는 고에네르기 X선이나 감마선은 흡수하지만 저파장 적외선 진동에는 별로 영향을 받지 않습니다.

그리고 좌우 대칭으로 연결되어 있는 산소 분자 등은 움직여도 전하의 분포에 변화가 일어나지 않습니다.
이 때문에 적외선의 영향으로 에너지를 축적하는 일이 없는 것입니다.

이산화탄소는 이 현상으로 인해 대기 중에서 수조 개의 분자가 에너지의 흡수, 여기, 방출을 연속적으로 반복하여 주위의 CO2 분자에 에너지를 계속 전파시킵니다. 이렇게 해서 이산화탄소는 열을 내부에 가둬버리게 됩니다.

그리고 프레온가스는 1분자로 이산화탄소의 1만 배, 메탄의 경우는 30배의 열을 흡수해 버립니다. 수증기는 공기 중에 존재하는 온실가스 중에서 가장 강력합니다. 다만 이 가스들은 인간의 활동에 따라 그다지 농도가 변하지 않기 때문에 결과적으로 가장 문제시되는 것이 이산화탄소인 셈입니다.

이러한 특성 때문에 이산화탄소가 가장 위험한 온실가스는 아니지만 계속 증가하면 골치 아픈 일이 되는 것은 확실합니다.

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Why Is Carbon Dioxide A Greenhouse Gas?（scienceabc）
https://www.scienceabc.com/nature/why-is-carbon-dioxide-a-greenhouse-gas.html

Why Is Carbon Dioxide A Greenhouse Gas?