에스엘랩 | 열 저장체로서의 바다
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열 저장체로서의 바다

Oceans as a Heat Reservoir

목적

 

이 활동을 통해서 학생들은 아래의 내용을 알 수 있다.:

 

  • 서로 다른 물질들이 열에 어떻게 반응하는지 배울 수 있다.
  • 물은 많은 양의 열을 매우 효율적으로 저장할 수 있음을 배울 수 있다.
  • 바다는 지구 대기가 더 따뜻해질 수 없도록 열을 포획하고 저장하는데 있어서 매우 중요한 역할을 한다는 사실을 이해한다.
  • 자료를 측정하고 기록하여 결과를 도식적으로 보이고 해석하는 방법을 학습할 수 있다.

 

 

학습 목표

 

이 활동을 하는 동안 학생들은 다음을 할 수 있을 것이다.:

 

  • 태양은 지구의 주요 열원임을 설명할 수 있다.
  • 열을 받았을 때 물질마다 온도의 변화량이 다르다는 것을 설명할 수 있다.
  • 온도를 측정하는 실험을 수행할 수 있다.
  • 실험을 진행하여 얻은 자료를 분석하고 해석할 수 있다.
  • 실험 결과와 지구 기후의 관련성을 설명할 수 있다.

 

 

평가

 

  • 태양-지구의 관계에 대해서 설명해준 다음 학생들에게 지구의 주요 에너지원이 무엇인지 묻는다.
  • 서로 다른 물질(예 : 공기, 물 등)에 열을 가해본 경험을 토의한다.
  • 학생들이 이 실험을 수행하는 동안 선생님은 학생들을 관찰하고 지도한다.
  • 학생들이 서로 토의하고 그래프에 있는 자료를 분석한 후 결과를 도식화하도록 지도한다.
  • 학생들이 지표면의 구성 요소와 외부 태양열에 대해서 논의하도록 한다. 실험 결과를 분석하면서 학생들이 바다의 역할에 대해서도 논의 할 수 있도록 한다.

 

 

준비물

 

실험 키트 하나에 필요한 준비물(최소 2인 1조)

 

  • 강한 램프
  • 흙, 모래
  • 그릇이나 쟁반 2개(예 : 페트리 접시)
  • 스톱워치
  • 종이, 펜
  • 색연필
  • 온도계
  • 계산기
  • 온도계가 수직으로 서 있을 수 있도록 하는 지지대(예 : 핀, 종이 클립)

 

학생 1인당 준비물

 

  • 활동지
  • 부록 설명지

배경지식

 

열 흡수체로서 바다

 

온실가스의 증가로 인한 지구 온난화는 현 인류에게 발생한 가장 큰 문제점 중 하나이다. 태양계의 다른 행성들과 달리 지구는 전체 표면의 2/3이상이 거대한 바다로 덮여 있다. 그러므로 바다는 지구를 데우고 식히는 과정에서 매우 중요한 역할을 한다. 육지보다 바다는 온도 변화에 민감하지 않고 느리게 반응한다. 그 결과, 바다는 지구 전체 열의 90% 이상을 저장하고 있다.

 

그림 1 : 2007 IPCC AR(4) WG1 Sec 5.2.2.3에 따른 지구 온난화로 인해 기후 시스템의 여러 부분에 더해진 요소별 에너지의 분포.

(http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch5s5-2-2-3.html),

Skeptical Science, vectorised by User:Dcoetzee

(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:WhereIsTheHeatOfGlobalWarming.svg),

‘WhereIsTheHeatOfGlobalWarming’,

https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode).

 

지구 관측 인공위성에 있는 원격 조정 센서로 지구상에 존재하는 수자원의 온도 분포를 우주에서 쉽게 감시할 수 있다. 바다를 모니터링 하는 것은 유럽의 코페르니쿠스 지구 관측 프로그램의 주된 목적이다.

 

그림 2 : NASA Aqua 인공위성의 MODIS 분광기를 통해 수집한 2016년 3월의 전 세계 지표 온도 평균을 나타낸 지도. 색깔은 –2℃에서 +35℃사이의 온도를 나타낸다. (NASA Near Earth Observations, http://neo.sci.gsfc.nasa.gov/view.php?datasetId=MYD28M).

 

기후 변화와의 관계

 

모니터링 프로그램의 결과(그림3)는 대기와 해양의 온도가 지속적으로 높아짐을 보여준다.

 

원격 탐사 캠페인을 적절히 활용하면 지역에 따른 기온 상승 과정을 분석할 수 있다. 일사량(태양 광도 변화, 궤도 변화)은 측정된 비율로 변화하지 않기 때문에 이러한 자연적인 원인은 배제될 수 있다.

 

그림 3 : 이 그래프는 세계 해수면의 평균 온도가 1880년 이후 어떻게 변하고 있는지를 나타낸다. 변화 양상을 나타내기 위해서 1971년부터 2000년까지의 평균 온도를 기준점으로 나타냈다. 다른 시기의 기준치를 선택하게 되면 시간에 따른 자료의 변화를 파악할 수 없다. 음영으로 표시된 띠는 수집된 자료의 수와 수집 방법에 의한 자료의 오차 범위를 나타낸 것이다. (출처: NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). 2016. Extended reconstructed sea surface temperature (ERSST.v4). National Centers for Environmental Information. Accessed March 2016,

www.ncdc.noaa.gov/data-access/marineocean-data/extended-reconstructed-sea-surface-temperature-ersst,

https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-sea-surface-temperature).

 

 

그림 4 : 이 지도는 1901년부터 2015년까지 전 세계의 해수면 평균 온도 변화를 나타낸다. 이 지도는 직접 측정법과 인공위성을 활용한 측정법 모두를 사용하여 제작했다. 정사각형 안에 검은색 + 기호는 통계적으로 중요한 경향을 나타낸다. 하얀색 영역은 자료의 부족으로 인해 믿을 수 있는 경향을 찾지 못한 지역이다(출처: IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). 2013. 기후 변화 2013; The physical science basis. Working Group I contribution to the IPCC Fifth Assessment Report. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. www.ipcc.ch/report/ar5/wg1, NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). 2016. NOAA Merged Land Ocean Global Surface Temperature Analysis (NOAAGlobalTemp): Global gridded 5° x 5° data. National Centers for Environmental Information. Accessed June 2016. www.ncdc.noaa.gov/data-acc ess/marineocean-data/noaa-global-surface-temperature-noaaglobaltemp,

https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-sea-surface-temperature).

전체 활동 설명

 

준비

 

활동지의 배경지식을 편집하여 학생들의 지식과 비교해 볼 수 있도록 한다. 어린 학생들은 열역학 방정식에 대해서 자세히 알 필요는 없다.

 

소개

 

다음의 토의와 질문을 통해서 지구의 주요 열원으로서 태양의 역할에 대해서 소개한다.

 

질문 : 우리는 밤과 낮, 여러 계절을 보낸다. 계절이 변할 때 기온이 달라지는 원인은 무엇인가요?

답 : 태양열이요.

 

질문 : 지구 표면이 물, 육지로 덮여 있는 부분이 각각 어느 정도 되나요(대략)?

답 : 약 71%가 물로 덮여 있어요.

 

질문 : 그래서 육지와 바다 중에서 일사량에 의해 온도가 높아지기 위해서 더 많은 열이 필요한 것은 무엇인가요?

답 : 바다에요.

 

질문 : 사막에서 낮과 밤의 온도차는 매우 커요. 왜 그런지 생각해볼 수 있나요?

답 : 지표면은 더 빠르게 열을 흡수하여 온도가 높아져요. 만약 어떤 물질의 온도가 매우 빠르게 높아지게 된다면 이 물질은 매우 높은 속도로 다시 차가워지게 돼요. 게다가 사막은 지구의 열이 빠져나가지 못하도록 하는 구름에 의한 ‘담요’ 효과가 부족한 지역이에요.

 

질문 : 이러한 상황과 비교해서 물이 열에 빠르게 반응하도록 하려면 어떻게 해야 할까요? 난로에 있는 물 주전자를 생각해봐요.

답 : 물의 반응은 상당히 느린 과정이에요.

 

실험 준비 1

 

2인 1조로 학생들이 활동할 수 있도록 지도하는 것이 가장 좋다. 학생들은 전등에 의해 열을 받는 물과 흙이 시간이 지남에 따라 온도가 어떻게 변하는지 측정할 것이다. 두 물질이 반드시 비슷한 환경 조건에 있도록 하고, 두 단계로 실험을 진행한다.

 

  • 하나의 접시에 물을 채우고 다른 하나는 모래나 흙을 채운다. 두 개의 양은 같아야한다.
  • 물을 채운 접시를 전등 아래에 둔다.
  • 온도계의 끝을 물에 담근다. 온도계의 방향은 되도록 복사각과 평행하여야 한다. 지표각을 이용하여 온도계에 직접적으로 열이 가해지는 것을 피하도록 한다.
  • 물질의 최초 온도는 상온이라고 추정한다.
  • 실험을 수행하는 동안 측정값을 기입 할 자료표를 준비한다. 21열 4행으로 표를 만든다(표 1 참고).
  • 첫 번째 행에 0부터 20(분)까지의 수를 기입한다.

 

1 : 첫 번째 자료 표

시간 t (분) 물 (℃) 흙 (℃) 차이 (℃)
0
1

 

그림 5 : 물의 온도 측정을 위한 실험. 페트리 접시 하나에 물로 채우고 온도를 측정할 수 있도록 온도계를 준비한다. 온도계가 수직 상태로 서 있도록 온도계를 핀이나 종이 클립으로 고정시킨다. 전등이 접시를 비출 수 있도록 준비한다.

 

질문 : 어떻게 생각하나요: 전등에 전원을 켜면 온도는 어떻게 변하나요?

예상 답 : 전등이 오래 켜져 있을수록 온도가 점점 더 올라가요. 전원을 끄면 물은 다시 차가워져요.

 

질문 : 물에 대한 실험을 하고 나면 다음엔 흙을 사용할 거예요. 온도 변화 양상이 다를 것이라고 예상하나요?

예상 답 : 온도가 올라가고 내려가는 비율이 다를 것 같아요.

 

그림 6 : 물에 빛을 비추는 동안 매분 마다 온도계의 온도를 읽는다.

 

실험 과정 1

 

실험 과정은 두 가지 모두 동일하다. 물 실험을 먼저 수행한다.

 

  • 전등의 전원을 켜기 전에 첫 번째 온도를 측정한다.
  • 스톱워치를 시작하고 전등의 전원을 켠다(그림 6).
  • 10분 동안 매 분 마다 측정값을 확인하고 표의 해당 열에 값을 기록한다.
  • 10분이 지나면 전등의 전원을 끄고 이전처럼 온도를 계속 측정한다.
  • 20분이 지나면 측정을 끝낸다. 전등의 전원을 켠 상태에서 10분, 끈 상태에서 10분에 해당하는 온도를 기록할 수 있다.
  • 물이 담긴 그릇을 흙이 담긴 그릇과 바꾼다.

 

분석 1

 

실험이 진행되는 동안 경과 한 시간과 측정된 온도를 나타내는 도표를 작성하여 자료를 분석할 수 있다.

 

실험을 수행하는 조의 학생 한 명이 표(그림 7)에 자료를 기입하는 동안 다른 학생은 흙을 사용한 두 번째 실험을 준비한다.

 

  • 축이 2개인 표를 준비한다(예 : 그림 7의 위쪽 도표). 가로축은 실험 진행 시간을 기입하고 세로축은 온도를 기입한다. 온도 범위는 20 ~ 35℃로 설정한다.
  • 온도계가 다시 상온과 근사해지면 측정값을 표에 기록한다. 각 측정값의 시간과 온도가 일치하는 좌표에 작은 십자 기호를 그린다.
  • 도표에 그려진 점들을 연결한다.

 

그림 7 : 온도 측정 기록에 대한 도표 예시. 위쪽 도표는 온도에 대한 시간적 변화를 나타낸다. 아래쪽 도표는 토양과 물의 온도 차이를 기록한다. 다른 색을 사용해서 자료를 기입한다.

분석 2

 

  • 분석 1처럼 도표에 새로운 값을 기록한다.
  • 점들을 서로 잇는다.
  • 도표에 전등의 전원을 켜고 껐을 때의 범위를 지정한다.
  • 각 시간 단위마다 온도의 차이를 계산하여 표에 기입한다.
  • 온도 차이의 시간에 따른 변화를 두 번째 표에 기록한다.
  • 대응 값을 도표에 기록한다.

 

그림 9 : 물(파란색)과 토양(빨간색)의 온도 변화 예시. 아래쪽의 검은색 굽은 선은 두 온도의 차이를 나타낸 것이다(학생들에게 이 활동지를 보여주지 마시오).

 

활동 수정 힌트

 

담수 대신에 해수를 사용하여 이 둘 사이의 차이를 조사할 수 있다,

 

만약 (그림에서 보이는 것처럼) 두 물체가 담기는 페트리 접시를 사용하게 된다면 두 물질을 동시에 측정할 수 있도록 실험을 준비할 수 있다. 하지만 전등을 해당 두 물질에 동일하게 열을 가하도록 설정하는 것은 다소 어려울 수 있다. 이 과정을 확인 할 수 없다. 따라서 활동을 수정하기 전에 이 활동을 확인하는 것을 추천한다.

 

결론

 

조원이나 학급 학생들과 함께 결과에 대하여 이야기하고 토의한다.

 

질문 : 전등의 전원을 켜고 껐을 때 온도는 어떻게 변했나요?

예상 답 : 물질에 빛을 비추면 온도가 올라가고 전등을 끄면 온도는 내려갔어요.

질문 : 두 물질 사이의 차이에 대해서 알 수 있었나요?

예상 답 : 물은 좀 더 천천히 뜨거워져요.

 

참고 : 물은 좀 더 천천히 식는다. 하지만 실험 준비 상황의 일부가 냉각 과정에 영향을 미칠 수 있다. 예 : 실험실 온도가 높음.

 

질문 : 온도는 서로 다르게 올라갑니다. 왜 그럴까요? 두 실험 사이의 차이는 무엇인가요?

예상 답 : 증명을 하려는 두 물질을 제외하고는 모두 동일한 실험 환경이에요. 두 물질의 특징이 다르기 때문에 차이점이 확인되었습니다.

 

질문 : 바다와 육지로 둘러싸인 우리 지구를 생각해볼게요. 태양빛은 이러한 요소에 어떻게 반응하는지 이야기해봅시다.

예상 답 : 낮에는 태양 쪽을 향하고 있는 지구의 반이 빛을 받아요. 그래서 그 쪽의 땅과 물은 열을 받게 됩니다. 밤에는 그 열을 방출해요. 게다가 바다는 육지보다 천천히 열을 받고 식어요.

 

질문 : 전 세계 기후 체계에서 바다의 역할에 대하여 이야기할 수 있나요? 바다가 없으면 세계 기온이 어떻게 될지 생각해봅시다.

예상 답 : 바다는 지구 온난화를 줄이는 역할을 합니다. 바다는 열을 흡수하는데, 만약 흡수 하지 않는다면 지구의 온도는 지금보다 더 높아질 것입니다.

 

질문 : 만약 바다의 온도가 올라가는 속도는 높아지고 식는 속도는 지금과 동일하다면 어떤 일이 일어날까요?

예상 답 : 온도는 올라갑니다.

결론

 

이 활동을 통해 학생들은 어떻게, 그리고 왜 바다가 육지보다 열을 좀 더 효과적으로 저장하는지에 대해서 학습할 수 있다(왜냐하면, 바다의 높은 열용량 때문이다.). 그러므로 바다는 온실 효과로 인한 지구 온난화의 일부를 경감시킬 수 있다. 이 활동은 흙과 물을 강한 전등으로 비추는 활동을 통해 지구에서 나타나는 현상을 모의 실험한 것이다. 온도 변화는 흙에서 보다 물에서 일반적으로 느리게 나타난다.

 

 

 감사의 글

 

이 활동의 번역을 검토해주신 송인옥 박사님과 심현진 교수님, 이정애 박사님에게 감사의 인사를 전합니다.