복사는 전도·대류와 열전달 달라
낮과 밤 온도차 복사냉각서 발생

지난주 기상청 날씨예보에 의하면 “당분간 낮과 밤의 기온차가 15도 내외로 크겠다”며 건강관리에 유의해야 함을 언급했다. 특히 기상청은 “우리나라 상공에 찬 공기가 자리하면서 맑은 날임에도 복사냉각에 의해 아침기온이 큰 폭으로 떨어지겠다”고 했다. 실제로 큰 폭으로 떨어졌다. 천고마비의 계절인 가을의 화창한 날씨에 복사냉각이라는 자연 열전달현상에 의해 낮과 밤의 기온차가 큰 폭으로 계속 유지되고 있는 것이다. 복사냉각은 우리에게 좀 생소한 열전달 용어이기도 하지만 어떤 자연현상이기에 아름다운 가을의 정취를 밤늦게까지 만끽하고 싶은 우리들의 작은 소망을 빼앗아 가는 것일까.

자연의 열전달현상은 크게 보면 전도, 대류, 복사 현상으로 나누어진다. 세상의 모든 물체에서나 물체 간의 온도 차에 의해 세 가지 형태의 열전달이 존재한다. 우선 전도에 의한 열전달 현상은 기본적으로 고체, 액체, 기체의 물체가 정지 상태에서 온도차에 의해 발생되며 재료의 종류에 따라 전도율이 낮은 것부터 높은 것까지 천차만별이다. 일반적으로 비금속인 다이아몬드를 제외하고는 금속이 비금속, 액체, 기체에 비해 열전도율이 수십 배에서 수천 배까지 높다.

다음으로 대류 현상은 액체, 기체의 유동에 의해 온도차가 발생돼 열전달이 일어나는 현상이다. 뜨거운 금속판을 선풍기 앞에 놓았을 때는 정지상태의 공기 속에 뒀을 때보다 빨리 냉각된다는 것을 알 수 있고 공기 속도의 변화에 따라 열전달에 영향을 미친다. 열전달에 변화를 주기 위해 액체와 기체를 강제로 움직이는 경우를 강제 대류 열전달이라 하고 방안의 공기가 천장과 바닥의 온도차에 의해 자연스럽게 이동하는 경우를 자연 대류 열전달이라 한다. 물을 끓여 액체를 증발시키거나 냉각에 의해 증기가 액체로 응축되면서 생기는 현상은 단순한 자연, 강제 대류에 비해 수백에서 수만 배로 열전달이 촉진된다. 운동선수가 경기가 끝나자 피부의 땀 증발에 의해 발생되는 저체온을 막기 위해 옷을 빨리 갈아입는 경우가 이에 해당된다.

마지막으로 기상청 예보에서 언급한 복사냉각을 일으키는 복사는 전도 및 대류와는 전혀 다른 형태의 열전달 현상이다. 복사에 의한 열은 기본적으로 물체가 최저의 에너지 상태인 절대 영(零)도 수준을 제외하고는 모든 물체에서 나오는 포톤(Photon)에 의해 발생된다. 포톤은 전자기파를 일으키는 입자와 동일하고 그러기에 일정 영역의 파장을 가지며 열에너지를 갖고 빛의 속도로 이동하게 되는데 이를 복사 열전달이라 한다. 이에 복사열 에너지는 빛이나 전자기파와 같이 어떤 물체를 투과하기도 하고 대기 중의 공기나 구름을 만나면 반사, 흡수, 산란 등을 하게 된다.

김광선 한국기술교육대 교수·기계공학

복사냉각은 지구 표면에 머무르고 있던 열에너지가 복사 현상에 의해 지구 표면 외부로 전달돼 대기 온도가 낮아진 상태를 의미한다. 구름 한 점 없이 맑은 가을 날 낮에는 태양으로부터 입사되는 복사열은 많아지지만 반대로 밤이 되면 차가운 대기 중으로 방출되는 복사열도 많아져 온도차가 커지게 된다.

그러나 대기 중의 구름으로 흐린 날이면 복사열을 구성하고 있는 포톤이 지구로 입사하다가 구름, 즉 수증기라는 장애물에 흡수, 반사, 산란 등을 일으키면서 강도가 약화되고 밤에는 같은 이유로 대기 외부로의 방출도 쉽지 않아 온도차는 적다. 물론 자연의 강제대류 현상으로 찬 공기가 북쪽에서 내려와 지표면을 차갑게 하고 낮에는 따뜻한 공기가 남쪽에서 불어와 낮과 밤의 온도차를 크게 할 수 있으나 요즘과 같이 바람도 없는 천고마비의 계절엔 거의 발생하지 않는다. 가을의 맑은 날, 낮과 밤의 큰 기온 차는 주로 복사냉각에 의해 발생한다.

피할 수 없는 길이라면 즐기라 했다. 낮에는 복사열을 즐기고, 밤에는 복사냉각을 느껴보자. 저물어가는 아름다운 가을의 단풍을 만끽하면서.

김광선 한국기술교육대 교수·기계공학