행성 평형 온도

Planetary equilibrium temperature

행성 평형 온도는 행성이 모항성으로만 가열되고 있는 검은 몸이라면 이론적으로 볼 수 있는 온도다. 이 모델에서 평형 온도는 순전히 입사 별 에너지와의 균형에서 계산되기 때문에 대기(따라서 어떤 온실 효과)의 유무와 무관하다.

다른 저자들은 행성의 등가 흑체 온도나 행성의 유효 방사선 방출 온도와 같이 이 개념에 다른 이름을 사용한다.[1][2] 행성 평형 온도는 위성이나 지표면 기반 계기에 의해 관측적으로 측정되는 지구 평균 온도 및 지표면 공기 온도와 다르며, 온실 효과로 인해 평형 온도보다 따뜻할 수 있다.[3][4]

평형온도 계산

숙주별을 공전하는 행성을 생각해 보라. 그 별은 동위원소적으로 방사선을 방출하고, 이 방사선의 일부분은 행성에 도달한다. 행성에 도착하는 방사선의 양을 입사 태양 복사 I 라고 한다 이 행성은 표면과 대기의 특성에 따라 달라지는 알베도를 가지고 있으며, 따라서 방사선의 일부만 흡수한다. 행성은 알베도에 반사되지 않는 방사선을 흡수하고 열을 가한다. Stefan-Boltzmann 법칙에 따라 어떤 온도에서 행성이 검은 몸처럼 에너지를 방출한다고 가정할 수도 있다. 열평형은 항성이 공급하는 동력이 행성이 방출하는 동력과 같을 때 존재한다. 이 균형이 일어나는 온도는 행성 평형 온도다.[4][5][6]

파생

별에서 행성이 흡수하는 태양 유량은 행성이 방출하는 유량과 같다.[4][5][6]

입사광의 일부분이 행성의 본드 알베도(Bond albedo)에 따라 반사된다고 가정하면 A B 스타일 :

여기서 F a 은 면적 및 시간 평균 입사 태양속을 나타내며 다음과 같이 표현할 수 있다.

위의 공식에서 1/4 인자는 한 순간에 한 개의 반구만 점등한다는 사실(인자 1/2을 생성함)과 조명반구에 입사광의 각도를 통합하는 것(다른 인자의 1/2을 생성함)에서 비롯된다.[6]

행성이 어떤 평형 온도 e q 에서 스테판-볼츠만 법칙에 따라 흑체로 방사한다고 가정하면 흡수된 플럭스와 배출되는 플럭스의 균형은 다음과 같이 생성된다.

where is the Stefan-Boltzmann constant.

평형 온도를 찾기 위해 위의 방정식을 재정렬하면 다음과 같다.

극외 행성의 계산

다른 별 주위의 행성에게 행성의 입사 별의 유동)는 쉽게 측정할 수 있는 양이 아니다. 그러한 행성의 평형온도를 찾기 위해서는 다음과 같이 숙주별의 방사선을 흑체로서 근사하게 하는 것도 유용할 수 있다.

별의 겉보기 밝기의 관찰로 측정할 수 있는 별의 광도( )는 다음과 같이 기록할 수 있다.[7]

= R t 2 t r4 {\R_{\

행성에서 입사 광속을 찾기 위해 별에서 의 궤도 거리인 스타일 에서 I 스타일 반지름이 스타일 인 구의 표면 영역으로 나눌 수 있다[8]

이를 행성 평형 온도에 대한 일반 방정식에 연결하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

광도 관측을 통해 항성의 광도를 알 수 있다면, 결정되어야 할 다른 변수는 행성의 본드 알베도와 궤도 거리다. 외부 행성의 결합 알베도는 전치 외행성의 플럭스 측정에 의해 구속될 수 있으며,[9] 향후 외행 행성의 직접 영상화 및 기하학적 알베도로부터의 변환을 통해 얻을 수 있을 것이다.[10] 궤도 거리와 같은 행성의 궤도 특성은 방사형 속도 및 운송 기간 측정을 통해 측정할 수 있다.[11][12]

또는 행성의 평형은 항성의 온도와 반지름 측면에서 다음과 같이 표기할 수 있다.

주의사항

평형 온도는 행성의 실제 온도에서 상한도 하한도 아니다. 측정된 온도가 예측된 평형 온도에서 벗어나는 몇 가지 이유가 있다.

온실효과

행성이 방출하는 장파 방사선이 대기 중의 특정 가스에 의해 흡수되어 표면으로 다시 방출되는 온실 효과 때문에, 온실 대기가 상당하는 행성은 평형 온도보다 표면 온도가 높을 것이다. 예를 들어 금성은 평형온도는 약 260K이지만 표면온도는 740K이다.[13][14] 마찬가지로 지구는 평형온도는 255K(-18°C; -1°F)[14]이지만, 우리의 낮은 대기의 온실효과로 인해 표면온도는 약 288K이다[15].[5][16]

무공기체

공기가 없는 물체에서, 어떤 중요한 온실 효과의 부족은 평형 온도가 210 K이고 배출의 평균 표면 온도가 215 K인 화성에서와 같이 평형 온도에 접근할 수 있게 한다.[5][6] 화성과 같은 무공기 또는 무공기에 가까운 물체에서는 공간과 시간에 따른 표면 온도의 차이가 크며, 이는 하루 표면 온도 차이가 50-60K이다.[17][18] 열을 운반하거나 유지할 수 있는 공기가 상대적으로 부족하기 때문에, 기온의 상당한 변화가 발생한다. 행성이 검은 몸체로 방사한다고 가정하면(즉, 스테판-볼츠만 법칙에 따라), 온도 변화는 배출량 변화로 전파되며, 이번에는 4의 힘으로 전파된다. 이것은 행성 온도에 대한 우리의 이해는 온도의 직접적인 측정에서 오는 것이 아니라 플럭스의 측정에서 오는 것이기 때문에 중요하다. 따라서 (평형온도와 비교하기 위해) 무공기체에서 의미 있는 평균 표면온도를 도출하기 위해 전지구 평균 표면배출 유량을 고려한 후, 그러한 유량을 산출할 '유효한 배출 온도'를 계산한다.[6][17] 평형온도는 271K이지만 낮에는 373K, 밤에는 100K가 될 수 있는 달의 표면온도를 고려할 때도 같은 과정이 필요할 것이다.[19][20] 다시 말하지만, 이러한 온도 변화는 대기가 없을 때 열 수송과 유지의 불량으로 인해 발생한다.

내부 에너지 플럭스

궤도를 선회하는 신체는 조력난방,[21] 행성 중심부의 방사능 붕괴에 의해 추진되는 지열 에너지,[22] 또는 억양난방에 의해서도 가열될 수 있다.[23] 이러한 내부 과정은 유효 온도(행성으로부터 관측된 방사선을 생성하는 흑체 온도)가 평형 온도(태양열만으로 예상할 수 있는 흑체 온도)보다 더 따뜻해지는 원인이 될 것이다.[6][16] 예를 들어 토성의 경우 약 63K의 평형온도와 비교하여 유효온도는 약 95K이다.[24][25] 이는 방출된 전력과 수신된 태양열 전력 사이의 비율에 해당하며, 이는 상당한 내부 에너지원을 나타낸다.[25] 목성과 해왕성은 각각 2.5와 2.7의 태양 에너지로 방출되는 에너지의 비율을 가지고 있다.[26] 천왕성의 유효온도와 평형온도 사이의 밀접한 상관관계는 천왕성에서 내부 유속을 생성하는 과정이 다른 거대 행성에 비해 무시해도 된다는 증거로 받아들일 수 있다.[26]

참고 항목

참조

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원천

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외부 링크