대기복사
대기복사는 지구의 대기로부터 방출되는 에너지를 의미합니다. 열에너지의 형태를 가지고 있는데 이는 태양으로부터 온 태양열에너지가 원인이 되어 발생합니다. 태양 열에너지는 지구의 환경 조성에 있어서 매우 중요한 역할을 수행합니다. 예를 들어 적도 지역의 경우 태양열을 많이 받기에 덥고 습한 환경이 조성되어 지금의 열대우림과 해당 지역에 사는 사람들의 삶의 양식에 많은 영향을 받는 모습을 보여줍니다. 태양으로부터 방출된 에너지가 지구에 들어오며 대기에 흡수되고 지표면에 흡수된 것이 다시 또 대기로 이동하면서 대기의 복사가 활발하게 일어나게 됩니다. 이런 메커니즘으로 생겨난 대기복사는 특히 지표 근처에서 많이 발생하게 됩니다. 상대적으로 상층대기에서는 오존층을 제외하면 그 영향이 크지 않은 편이라 중요치 않게 여겨질 수 있지만 지표에서 발생한 대기복사로 인한 열은 여러 기상현상을 유도하기도 하고 무엇보다 인간이 사는 높이인 지표로부터 1km 이내에서는 활발히 이루어지는 현상이기에 대기복사를 이해하고 예측하는 것은 우리의 삶에 있어 중요한 영역입니다.
태양 복사 에너지 흡수의 계산
대기복사 모델링을 설계함에 있어 가장 첫 번째 순서는 태양 복사에너지 흡수를 계산하는 것입니다. 태양 복사에너지를 흡수하는 것에 있어 지배적인 것은 태양의 각도와 지표의 형태입 니다. 먼저 본격적인 대기복사 모델링에서는 태양의 각도는 지구와 태양의 위치를 실제로 고려하여 진행이 됩니다. 보통의 기상모델에서는 이것을 태양상수로 가정을 하여 일정하다고 생각하지만 대기복사 모델링에서는 태양으로부터의 거리, 자전축의 기울기 등을 고려하여 실제 보고자 하는 영역에 태양빛이 각 격자에 어떤 각도로 들어오는지를 계산하여 진행됩니다. 여러 천문학적으로 고려된 각도로 들어오는 태양은 지표면을 만나게 되는데 지표면을 무엇이 덮고 있는지에 따라 흡수, 반사율이 달라집니다. 이 비율은 일반적으로 지표면의 반사율 또는 '알베도'라고 부릅니다. 알베도의 경우 현재 일반적인 값을 추출하여 해당 값을 사용하고 있습니다만 알베도의 정확한 값은 파장에 따라 달라지기도 하고 같은 아스팔트여도 각 알맹이의 모양에 따라 크게 달라지기에 정확한 값을 모델링에 사용하고 싶어도 할 수 없는 경우가 많습니다.
열 흡수 및 방출의 모델링
기초적인 단계에서는 대기가 없다고 하면 반사되고 나면 끝이지만 실제 대기에서는 열에너지를 흡수하고 재방출할 공기층이 있습니다. 그렇기에 이러한 계산은 지속적으로 이루어집니다. 이런 것을 고려하기 위해서는 먼저 온실가스를 정의 내립니다. 대기 중에서 주로 열을 흡수하 고 방출하는 가스를 온실가스라고 하는데 대표적인 예시는 이산화탄소가 있습니다. 이외에도 수증기, 메탄, 오존 등이 존재하는데 이런 기체들이 얼마만큼의 열을 흡수하고 방출하는지에 대한 값을 미리 구해놓습니다. 주로 실험을 통해 해당 값은 얻습니다. 이러한 정보들이 준비 가 되면 지역별로 대기 구성이 어떻게 되어있는지와 그 밀도에 관해 알아내어 후보군에 있는 온실가스들이 각각 얼마나 있는지에 관해 정리하여 해당 값들을 모두 고려하여 모델링을 진행합니다. 지표면과의 상호작용이나 구름의 양을 함께 고려할 수도 있습니다.
종합적인 모델링
앞선 고려사항들을 종합하여 모델링을 진행합니다. 실제 대기는 밀도, 습도, 대기 구성요소의 비율등의 상태가 지속적으로 변화하고 구름도 이동하기에 대기 복사 모델링은 시간에 따라 다른 결과를 만들어 낼 수 있어야 합니다. 실제 적용 시에는 빙하의 알베도등을 함께 고려해야 하기에 빙권과의 상호작용도 함께 계산될 수 있습니다. 이는 적도지역에서 극지방으로 열이 전달되는 순환, 해양의 순환 등을 분석하는 데에 큰 기여를 할 수 있으며 현상에 대한 이해와 예측에 좋은 영향을 줄 수 있습니다. 이후에는 지속적인 모델의 결과를 검증하고 예측하는 작업을 거쳐 모델의 성능을 향상할 수 있습니다. 예를 들어 알베도 값의 분포에 대해 좀 더 고해상도로 확실한 값을 확보한다거나 지표면의 고도 변화를 정확하게 안다면 도움이 될 수 있습니다. 지표면의 고도 변화를 안다면 경사면의 각도를 알게 되는데 이를 토대로 하여 실질적으로 태양 열에너지가 지형에 얼마나 흡수되고 방출되는지에 관해 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것입니다. 이런 식으로 대기 복사 모델을 연구하는 것은 큰 지구의 기후를 이해하고 예측하는 데에 큰 기여를 할 수 있습니다.