이산화탄소는 무극성 유기 유사 분자로 취급되기도 합니다. 이산화탄소가 적외선을 흡수하여 진동 에너지를 가짐으로써 지구 온난화를 유발하는 메커니즘을 설명해주세요.

Question

이산화탄소는 무극성 유기 유사 분자로 취급되기도 합니다. 이산화탄소가 적외선을 흡수하여 진동 에너지를 가짐으로써 지구 온난화를 유발하는 메커니즘을 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

이산화탄소 분자는 탄소 원자 하나를 중심으로 양옆에 산소 원자가 결합한 선형 구조를 가집니다. 각 탄소-산소 결합은 전기음성도 차이로 인해 극성을 띠지만, 분자 전체적으로는 대칭을 이루어 쌍극자 모멘트가 상쇄되는 무극성 분자입니다. 하지만 이 정적인 상태가 적외선을 만나면 변화가 일어납니다.

​지구 온난화의 핵심은 분자의 진동 방식에 있습니다. 이산화탄소는 크게 네 가지 방식의 진동을 하는데, 그중 비대칭 신축 진동과 굽힘 진동이 중요합니다. 비대칭 신축 진동은 탄소 원자를 기준으로 양쪽 산소 원자가 서로 다른 방향으로 움직이는 것이며, 굽힘 진동은 일직선이던 분자가 꺾이는 형태입니다. 이러한 움직임이 발생하면 분자의 대칭성이 깨지면서 일시적으로 전기적 불균형인 쌍극자 모멘트가 생성됩니다.

​물리학적으로 분자가 적외선을 흡수하려면 진동할 때 쌍극자 모멘트의 변화가 있어야 합니다. 이산화탄소는 지표면에서 방출되는 특정 파장대의 적외선 에너지를 흡수하여 이러한 진동 운동 에너지로 변환합니다. 에너지를 흡수해 들뜬 상태가 된 이산화탄소 분자는 다시 안정해지기 위해 흡수한 에너지를 모든 방향으로 재방출합니다.

​이때 방출된 에너지의 상당 부분이 다시 지표면으로 향하게 되는데, 이것이 바로 온실효과입니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 높아질수록 우주로 나갔어야 할 열에너지가 대기권 안에 더 많이 갇히게 되어 지구의 평균 기온이 상승하게 됩니다. 결국 분자의 미세한 떨림이 행성 규모의 기온 변화를 일으키는 근본적인 동력이 되는 셈입니다.

Answer 2

안녕하세요.

이산화탄소는 탄소 원자 하나에 산소 원자 두 개가 결합한 선형 분자이며 양쪽이 대칭이기 때문에 평상시에는 전체적으로 전하가 한쪽으로 치우치지 않는 무극성 분자입니다. 하지만 평소에는 무극성일지라도 분자가 진동할 때 순간적으로 전하 분포가 변하는데요, 이산화탄소 분자는 결합이 마치 스프링처럼 늘어나고 줄어들거나, 직선 구조가 살짝 휘어지는 방식으로 진동할 수 있습니다. 특히 비대칭적으로 진동하거나 굽힘 진동을 할 때는 분자 내부의 전하 중심이 순간적으로 이동하면서 일시적인 쌍극자 변화가 생기며, 지표면에서 방출되는 적외선과 에너지 준위가 맞을 경우 그 에너지를 흡수할 수 있게 됩니다.

지구는 태양으로부터 들어오는 가시광선과 자외선 일부를 흡수한 뒤, 따뜻해진 표면이 다시 그 에너지를 적외선 형태로 우주로 방출하는데요, 대기 중에 있는 이산화탄소 분자가 이 적외선을 흡수하면, 분자의 진동 에너지가 증가하게 됩니다. 이렇게 들뜬 분자는 주변의 질소나 산소 분자와 충돌하면서 자신이 흡수한 에너지를 운동 에너지 형태로 전달하고, 결과적으로 대기 분자들의 평균 운동 속도가 증가하게 되고, 이것이 온도 상승으로 이어집니다. 또한 이산화탄소 분자는 흡수한 에너지를 다시 적외선 형태로 재방출할 수도 있는데, 이 복사 에너지는 우주 방향뿐 아니라 지표 방향으로도 방출됩니다. 결과적으로 원래 우주로 빠져나가야 할 열에너지 일부가 다시 지표와 대기 하층으로 돌아오게 됩니다. 이와 같은 과정이 반복되면 지구 주변에 열이 더 오래 머물게 되며, 이는 온실효과의 원리로 작용합니다. 원래라면 온실효과 자체는 지구 평균 기온을 생명체가 살기 적절하게 유지해주는 중요한 자연 현상입니다. 하지만 인간이 화석연료를 대량으로 사용하면서 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하자 적외선을 흡수하고 재방출하는 분자 수 자체가 많아졌고, 결과적으로 더 많은 열이 대기권 안에 갇히게 되면서 현재 지구온난화와 기후 변화의 중요한 원인 중 하나로 작용하고 있습니다. 감사합니다.