2. 기후

특정 지리적 지역이 열대림, 초지 평원 또는 불모의 사구 경관이 될지를 결정하는 요인은 무엇인가? 생물에게 가장 큰 제약을 부여함으로써 특정 생태계에 가장 큰 영향을 미치는 물리적 환경의 양상은 기후이다. ‘기후’는 막연하게 사용하는 경향이 있는 용어 중 하나이다. 사실 사람들은 때때로 날씨와 기후를 혼동한다. 날씨는 특정 장소와 시간에 일어나는 온도, 습도, 강수, 바람, 구름양과 기타 대기조건의 조합이다. 기후는 장기간에 걸친 평균적 날씨이고 국지적, 지역적 또는 지구적일 수 있다. 육상생태계의 구조는 우점하는 식물에 의해 대체로 정의되고 다시 지배적인 물리적 환경조건, 즉 기후의 반영이다. 기후, 주로 온도와 강수의 지리적 변이는 식물의 대규모 분포와 따라서 육상생태계의 성격을 지배한다. 이 장에서, 기후가 지구 표면의 열과 물의 가용성을 어떻게 결정하고 식물이 수확할 수 있는 태양에너지의 양에 어떻게 영향을 미치는지 알아보고자. 2.1 표면온도는 유입 복사와 유출 복사 간의 차이를 반영한다. 태양에서 방출되는 전자기 에너지인 태양복사는 지구의 대기에 도달할 때까지 우주의 진공을 통해 대체로 방해 없이 이동한다. 과학자들은 관찰되는 방식에 따라—과학의 위대한 역설의 하나—태양복사를 파동 또는 입자로 행동하는 광자의 흐름 또는 에너지의 다발로 개념화한다. 과학자들은 파장, 즉 연속되는 파장 간의 물리적 거리와 빈도, 즉 초당 주어진 지점을 지나가는 파장의 수로 에너지 파동의 특성을 나타낸다. 모든 물체는 전형적으로 넓은 범위의 파장에 걸쳐 있는 복사에너지를 방출한다. 그러나 방출하는 에너지의 정확한 본질은 물체의 온도에 달려 있다. 물체가 뜨거울수록, 방출되는 광자는 에너지가 더 많아지고 파장은 짧아진다. 태양처럼 아주 뜨거운 표면은 주로 단파복사를 방출한다. 대조적으로 지구의 표면과 같은 서늘한 물체는 긴 파장의 복사, 즉 장파복사를 방출한다. 지구 표면에 도달한 단파복사의 일부는 우주로 다시 반사된다. 표면에서 반사된 단파복사의 양은 ‘알 비도’라 알려진 단파복사의 반사도에 달려있다. 알 비도 늘 반사되는 표면에 닿는 단파복사의 비율로 표시하고 표면에 따라 달라진다. 예를 들어, 눈과 얼음으로 덮인 표면의 알 비도 늘 높아서 유입하는 태양복사를 반사하는 반면, 삼림은 알 비가 낮아서) 단지 햇빛의 5%를 반사한다. 지구적 연평균 알 비도 는 약 0.30이다. 유입하는 단파복사와 반사된 단파복사의 차이는 표면에서 흡수된 순 단파복사이다. 다시 말해 지구 표면에서 흡수된 에너지의 일부는 육상의 장파복사로 우주로 다시 배출된다. 방출된 에너지의 양은 표면의 온도에 달려있다. 표면이 뜨거울수록 보다 많은 복사에너지가 방출될 것이다. 그러나 지구표면에서 방출되는 장파복사의 대부분은 대기 중 수증기와 이산화탄소에 의해 흡수된다. 흡수된 복사는 장파복사로써 표면을 향해 방출되고 가스 담요가 없었을 경우보다 표면 근처의 온도를 더 따뜻하게 한다. 이는 ‘온실효과’로, 수증기와 이산화탄소 등 장파복사를 잘 흡수하는 물질은 ‘온실가스’로 알려져 있다. 유입하는 단파복사(태양의)와 유출되는 장파복사(육상의) 간의 차이가 순 복사이고, 순 복사는 표면온도를 결정한다. 유입하는 단파복사의 양이 유출하는 장파복사의 양을 초과하면, 표면온도는 높아진다. 역으로, 유출하는 장파복사가 유입하는 단파복사를 초과하면(야간의 경우처럼) 표면온도는 낮아진다. 평균적으로, 지구에 의해 차단된 유입하는 단파복사의 양과 지구에 의해 다시 우주로 방출된 장파복사의 양은 균형을 이루고 지구의 평균 표면온도는 약 15℃를 유지한다. 그러나 그림 2.4에 제시된 연평균 표면온도를 나타낸 지구 지도에서, 적도에서 극 쪽으로 순 표면복사가 감소하는 명백한 위도기울기가 있음에 주목하자. 이 감소는 표면에 도달하는 단파복사량의 위도에 따른 변이의 직접적 함수이다. 두 요소가 이 변이에 영향을 미친다. 첫째, 높은 위도에서 태양복사는 더 가파른 각도로 표면에 도달하여 더 넓은 면적에 빛이 퍼진다. 둘째, 가파른 각도로 대기를 통과하는 태양복사는 더 두꺼운 공기층을 통과하여야 한다. 이 과정에서 대기 중 더 많은 입자를 만나게 되고 더 많은 단파복사를 다시 우주로 반사한다. 위도에 따른 순 복사의 감소는 적도에서 극으로의 뚜렷한 연평균 온도 감소의 기울기를 가져온다. 2.2 차단되는 태양복사와 표면온도는 계절적으로 변한다. 지구 표면에 도달하는 단파복사의 위도에 따른 변화가 적도에서 극까지 낮아지는 온도기울기를 설명할 수 있지만, 연중에 걸쳐 일어나는 조직적인 변화는 설명할 수 없다. 지구에서 왜 계절이 생겨날까? 왜 여름의 더운 날들이 가고 가을의 단풍이 올까? 왜 겨울의 추위와 설경이 가고 봄과 함께 초록 담요가 되는 걸까? 답은 아주 간단하다. 이는 지구가 똑바로 서 있지 않고 한쪽으로 기울어져 있기 때문이다. 모든 행성처럼 지구는 두 가지의 독특한 운동을 한다. 태양 주변의 궤도를 도는 동안 지구는 북과 남의 극을 통화하는 축을 회전하여, 밝은 낮과 어두운 밤을 가져온다. 지구는 황도라고 불리는 평면을 따라 태양 주위를 돈다. 마침, 지구의 회전축은 황도에 대해 수직이 아니라 23.5도의 각도로 기울어졌다. 그 결과 지구가 태양 주변의 황도 궤도를 돌면서, 연중에 걸쳐 태안은 북위 23.5도와 남위 23.5도 사이에서 한 낮에 바로 머리 위에 놓인다. 춘분과 추분에 태양복사는 적도에 똑바로 떨어진다. 이 시기에 적도 지역은 가장 많은 단파복사를 받고 지구상 모든 지역에서 낮과 밤이 똑같이 12시간이다. 북반구의 하지에 태양광선은 북회귀선에 바로 떨어진다. 이 시기가 북반구에서 낮이 가장 길고, 태양이 표면을 가장 강렬하게 가열하는 때이다. 대조적으로 이 시기에 남반구는 겨울이 된다. 북반구의 동지에 태양광선은 남회귀선에 똑바로 닿는다. 남반구에서 이 기간은 여름이지만, 북반구에서는 짧은 낮과 추위를 겪고 있다. 따라서 북반구를 하지는 남반구의 둥지이다. 적도 지역에서는 순 복사, 온도 또는 일장에 있어 계절성이 거의 없다. 계절성은 적도에서 극으로 가면서 심해진다. 북극권과 남극권에서, 일장은 연중 0시간부터 24시간까지 변한다. 계속 밤인 동지까지 낮이 짧아진다. 봄과 함께 낮이 길어지고, 하지에는 태양이 절대 지지 않는다. 2.3 순 표면 복사의 지리적 차이는 대기 순환의 지구적 양상을 가져온다. 앞서 공부한 것처럼, 지구의 순 복사 평균은 0이다; 이는 유입된 단파 복사 중 표면에서 흡수된 단파 복사량이 우주로 다시 유출되는 장파 복사량에 의해 상쇄됨을 의미한다. 그렇지 않으면 지구의 평균 온도는 높아지거나 낮아진다. 그러나 지리적으로는 그렇지 않다. 순 복사가 양수이거나 음수인 지역들을 보여주는 연평균 순 복사의 지구 지도를 주목하자. 실제로 그림에는 표면복사의 뚜렷한 위도상 양상이 제시되어 있다. 북위 35.5와 남위 35.5 사이에서는 연중 유입하는 단파복사량이 유출하는 장파 복사량을 초과하고 이곳에서는 나머지가 생긴다. 대조적으로, 남/북위 35.5로부터 극지방에서는 연중 유출하는 장파복사가 유입하는 단파 복사량을 초과하여 결손이 생긴다. 이러한 순 복사의 불균형은 적도에서 극까지 지구적 규모로 열에너지를 재분포시킨다. 고농도 지역에서 저농도 지역으로, 즉 더운 지역에서 서늘한 지역으로 에너지가 흐른다는 기초 물리학을 상기하자. 이와 같은 열대에서 극으로의 열전달의 기본 기작은 전도 과정, 특히 유체의 순환을 통한 열의 전달 과정이다. 전술한 바와 같이, 적도 지역은 태양복사의 연 유입과 순 복사 나머지가 최대이다. 표면에서 데워진 공기는 그 위 더 차가운 공기보다 밀도가 낮기 때문에 상승한다. 적도 지역에서 데워진 공기는 성층권을 꼭대기로 상승하여 표면에 저기압대를 형성한다. 표면의 저기압은 공기를 북쪽과 남쪽에서 적도 쪽으로 이동하게 만든다. 북쪽과 남쪽에서 적도 지역으로의 바람의 수렴은 '열대수렴대'로 부른다.