RTO care

PID Control

카테고리 없음2023. 4. 10. 10:42

상태 제어가능성 state controllability

출력 제어가능성 output controllability

관측가능성 observability

PID 제어기기의 일반적인 특징은 다음과 같다.

  1. PID 제어기는 구조가 간단하고 제어 성능이 우수하며, 제어이득 조정이 비교적 쉽기 때문에, 산업현장에서 80%이상을 차지할 정도로 많이 사용되고 있다.   PID 제어는 비례제어, 적분제어, 마분제어를 단독으로 사용하거나 혹은 두가지 이상을 결합한 형태로 사용한다.
  2. 비례(P) 제어는 PID 제어기에서 반드시 사용하는 자장 기본적인 제어이며 구현하기 쉽다. 그러나, 비례제어 만으로는 플렌트에 적분기가 없을 경우에 정상상태 오차가 발생하기 쉽다.
  3. 적분(I) 제어는 주로 정상상태 오차를 없애기 위해 사용된다. 그러나, 적분 이득을 잘못 조정하면 과도한 오버슈트가 발생하거나 시스템이 불안해 진다.
  4. 미분(D) 제어는 활용하면 안정성에 기인하고, 예측 기능이 있어 응답속도를 조절 있다. 하지만 시스템ㅇ 잡음 성분이 있을 , 미분 값이 커지게 되어 제어 입력에 나쁜 영향을 미치는 단점이 나타난다.
  5. PID 제어기의 계수들은 근궤적 기법, 주파수 응답기법, 분석적 방법 등을 사용하여 설계할 있다.
  6. PID 제어기에 구동기를 연결하여 사용할 , 구동기의 포화특성이 있으면 적분누적 integrator windup 현상이 생겨 불안정하게 되는데, 이를 막기 위하여 누적 방지 anti-windup 기법을 사용하여야 한다.
  7. PID 제어기의 형태는 병렬형이 기본형이지만, 실재로 구현할 때에는 필요에 따라 직렬형으로 하거나 미분기 필터를 부착하는 여러가지로 변형되어 쓰인다.
  8. PID 계수들을 자동적으로 조정하는 것을 auto-tunning 이라 하며, 산업계에서 많이 필요로 하고 있다. 대표적인 방법으로는 Ziegler-Nichols 동조법, Relay 동조법 등이 있으며, 방법들은 제어대상 시스템의 모델을 사용하지 않고 간단한 동조 과정을 거쳐 PID 계수를 결정한다.

Melamine

카테고리 없음2023. 4. 10. 10:40

Melamine

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Not to be confused with Melanin.

This article is about the chemical compound. For the chemically-similar plastic, see melamine resin.

Melamine


IUPAC name[hide]
1,3,5-Triazine-2,4,6-triamine

Other names[hide]
2,4,6-Triamino-s-triazine
Cyanurotriamide
Cyanurotriamine
Cyanuramide

Identifiers
CAS number 108-78-1

PubChem 7955
ChemSpider 7667

UNII N3GP2YSD88

KEGG C08737

ChEBI CHEBI:27915

Jmol-3D images Image 1
SMILES
[show]

InChI
[show]

Properties
Molecular formula C3H6N6
Molar mass 126.12 g/mol
Appearance White solid
Density 1574 kg/m3
Melting point 345 °C, 618 K, 653 °F (decomposition[1])
Boiling point Sublimes
Solubility in water 3.240 g/l (20 °C)[1]


(verify) (what is:


/


?)
Except where noted otherwise, data are given for materials in their standard state (at 25 °C, 100 kPa)

Infobox references

Melamine

i/ˈmɛləmiːn/ is an organic base and a trimer of cyanamide, with a 1,3,5-triazine skeleton. Like cyanamide, it contains 67% nitrogen by mass and, if mixed with resins, has fire retardant properties due to its release of nitrogen gas when burned or charred, and has several other industrial uses. Melamine is also a metabolite of cyromazine, a pesticide. It is formed in the body of mammals who have ingested cyromazine.[2] It has been reported that cyromazine can also be converted to melamine in plants.[3][4]

Melamine combines with cyanuric acid and related compounds to form melamine cyanurate and related crystal structures, which have been implicated as contaminants or biomarkers in Chinese protein adulterations.

Contents

[hide]

[edit] Etymology

The German word melamin was coined by combining the names of 2 other chemical products: Melam (a distillation derivative of ammonium thiocyanate) and Amine.[5][6] Melamine etymology is thus not derived from the root melas (μελας, meaning black in Greek), such as, e.g., the pigment melanin, the hormone melatonin, or the melanotan peptides.

[edit] Uses

Melamine is combined with formaldehyde to produce melamine resin, a very durable thermosetting plastic used in Formica™, melamine dinnerware, laminate flooring and dry erase boards.

Melamine foam is used as insulation, soundproofing material and in polymeric cleaning products, such as Magic Eraser™.

Melamine is one of the major components in Pigment Yellow 150, a colorant in inks and plastics.

Melamine also enters the fabrication of melamine poly-sulfonate used as superplasticizer for making high-resistance concrete. Sulfonated melamine formaldehyde (SMF) is a polymer used as cement admixture to reduce the water content in concrete while increasing the fluidity and the workability of the mix during its handling and pouring. It results in concrete with a lower porosity and a higher mechanical strength, exhibiting an improved resistance to aggressive environments and a longer life-time.

The use of melamine as fertilizer for crops had been envisaged during the '50s and '60s because of its high nitrogen content (2/3).[7] However, melamine is much more expensive to produce than are other common nitrogen fertilizers, such as urea. To be effective as a fertilizer, it is essential that the plant nutrients are released or made available in a manner that matches the needs of the growing crop. The nitrogen mineralization process for melamine is extremely slow, making this product both economically and scientifically impractical for use as a fertilizer.

 

Melamine dinnerware

Melamine and its salts are used as fire-retardant additives in paints, plastics, and paper.[8]

Melamine derivatives of arsenical drugs are potentially important in the treatment of African trypanosomiasis.[9]

Melamine use as non-protein nitrogen (NPN) for cattle was described in a 1958 patent.[10] In 1978, however, a study concluded that melamine "may not be an acceptable non-protein N source for ruminants" because its hydrolysis in cattle is slower and less complete than other nitrogen sources such as cottonseed meal and urea.[11]

Melamine is sometimes illegally added to food products in order to increase the apparent protein content. Standard tests, such as the Kjeldahl and Dumas tests, estimate protein levels by measuring the nitrogen content, so they can be misled by adding nitrogen-rich compounds such as melamine.There is an instrument (SPRINT) developed by the company CEM Corp that allows the determination of protein content directly in some applications; this cannot be fooled by adding melamine in the sample[12][13]

Melamine is also used as a nitrogen and carbon source for N-doped carbon nanotube. N-CNT's can be prepared via Chemical Vapor Deposition (CVD) method by pyrolysizing melamine under an Ar atmosphere in a horizontal glass tube. A thin film of iron (5 nm) is first deposited on a Si/SiO2 wafer. N-CNT synthesis occurs at a furnace temperatures between 800 - 980oC.[14]

[edit] Toxicity

Melamine is described as being "Harmful if swallowed, inhaled or absorbed through the skin. Chronic exposure may cause cancer or reproductive damage. Eye, skin and respiratory irritant." However, the short-term lethal dose is on a par with common table salt with an LD50 of more than 3 grams per kilogram of bodyweight.[15] U.S. Food and Drug Administration (FDA) scientists explained that when melamine and cyanuric acid are absorbed into the bloodstream, they concentrate and interact in the urine-filled renal microtubules, then crystallize and form large numbers of round, yellow crystals, which in turn block and damage the renal cells that line the tubes, causing the kidneys to malfunction.[16]

The European Union set a standard for acceptable human consumption (Tolerable Daily Intake) of melamine at 0.2 mg per kg of body mass,[17] (previously 0.5 milligrams), Canada declared a limit of 0.35 mg and the US FDA's limit was put at 0.063 mg daily (previously 0.63 mg). The World Health Organization's food safety director estimated that the amount of melamine a person could stand per day without incurring a bigger health risk, the "tolerable daily intake" (TDI), was 0.2 mg per kg of body mass.[18]

[edit] Acute toxicity

Melamine is reported to have an oral LD50 of 3248 mg/kg based on rat data. It is also an irritant when inhaled or in contact with the skin or eyes. The reported dermal LD50 is >1000 mg/kg for rabbits.[19] A study by USSR researchers in the 1980s suggested that melamine cyanurate, commonly used as a fire retardant,[20] could be more toxic than either melamine or cyanuric acid alone.[21] For rats and mice, the reported LD50 for melamine cyanurate was 4.1 g/kg (given inside the stomach) and 3.5 g/kg (via inhalation), compared to 6.0 and 4.3 g/kg for melamine and 7.7 and 3.4 g/kg for cyanuric acid, respectively.

A toxicology study in animals conducted after recalls of contaminated pet food concluded that the combination of melamine and cyanuric acid in diet does lead to acute renal failure in cats.[22] A 2008 study produced similar experimental results in rats and characterized the melamine and cyanuric acid in contaminated pet food from the 2007 outbreak.[23] A 2010 study from Lanzhou University attributed renal failure in humans to uric acid stone accumulation after ingestion of melamine resulting in a rapid aggradation of metabolites such as cyanuric acid diamide (ammeline) and cyanuric acid.[24]

[edit] Chronic toxicity

Ingestion of melamine may lead to reproductive damage, or bladder or kidney stones, which can lead to bladder cancer.[19][25][26][27][28]

A study in 1953 reported that dogs fed 3% melamine for a year had the following changes in their urine: (1) reduced specific gravity, (2) increased output, (3) melamine crystalluria, and (4) protein and occult blood.[29]

A survey commissioned by the American Association of Veterinary Laboratory Diagnosticians suggested that crystals formed in the kidneys when melamine combined with cyanuric acid, "don't dissolve easily. They go away slowly, if at all, so there is the potential for chronic toxicity."[30][31][32]

[edit] Treatment of urolithiasis

Fast diagnosis and treatment of acute obstructive urolithiasis may prevent the development of acute renal failure. Urine alkalinization and stone liberalization have been reported to be the most effective treatments in humans.[24]

[edit] Regulation in food and feed

The United Nations' food standards body, Codex Alimentarius Commission, has set the maximum amount of melamine allowed in powdered infant formula to 1 mg/kg and the amount of the chemical allowed in other foods and animal feed to 2.5 mg/kg. While not legally binding, the levels allow countries to ban importation of products with excessive levels of melamine.[33]

[edit] Synthesis

Melamine was first synthesized by the German chemist Justus von Liebig in 1834. In early production, first calcium cyanamide is converted into dicyandiamide, then heated above its melting temperature to produce melamine. However, today most industrial manufacturers use urea in the following reaction to produce melamine:

6 (NH2)2CO C3H6N6 + 6 NH3 + 3 CO2

It can be understood as two steps.

First, urea decomposes into cyanic acid and ammonia in an endothermic reaction:

(NH2)2CO HCNO + NH3

Then, cyanic acid polymerizes to form melamine and carbon dioxide:

6 HCNO C3H6N6 + 3 CO2

The second reaction is exothermic but the overall process is endothermic.

The above reaction can be carried out by either of two methods: catalyzed gas-phase production or high pressure liquid-phase production. In one method, molten urea is introduced onto a fluidized bed with catalyst for reaction. Hot ammonia gas is also present to fluidize the bed and inhibit deammonization. The effluent then is cooled. Ammonia and carbon dioxide in the off-gas are separated from the melamine-containing slurry. The slurry is further concentrated and crystallized to yield melamine.[34] Major manufacturers and licensors such as Orascom Construction Industries, BASF, and Eurotecnica have developed some proprietary methods.

The off-gas contains large amounts of ammonia. Therefore, melamine production is often integrated into urea production, which uses ammonia as feedstock.

Crystallization and washing of melamine generates a considerable amount of waste water, which is a pollutant if discharged directly into the environment. The waste water may be concentrated into a solid (1.55% of the weight) for easier disposal. The solid may contain approximately 70% melamine, 23% oxytriazines (ammeline, ammelide, and cyanuric acid), 0.7% polycondensates (melem, melam, and melon).[35] In the Eurotecnica process, however, there is no solid waste and the contaminants are decomposed to ammonia and carbon dioxide and sent as off gas to the upstream urea plant; accordingly, the waste water can be recycled to the melamine plant itself or used as clean cooling water make-up.[36]

[edit] Production in mainland China

Between the late 1990s and early 2000s, both consumption and production of melamine grew considerably in mainland China. By early 2006, melamine production in mainland China is reported to be in "serious surplus".[37] Between 2002 and 2007, while the global melamine price remained stable, a steep increase in the price of urea (feedstock for melamine) has reduced the profitability of melamine manufacturing. Currently, China is the world's largest exporter of melamine, while its domestic consumption still grows by 10% per year. However, reduced profit has already caused other joint melamine ventures to be postponed there.

Surplus melamine has been an adulterant for feedstock and milk in mainland China for several years now because it can make diluted or poor quality material appear to be higher in protein content by elevating the total nitrogen content detected by some simple protein tests. Actions taken in 2008 by the Government of China has reduced the practice of adulteration, with the goal of eliminating it. Court trials began in December 2008 for six people linked to the scandal and ended in January 2009 with two of the convicts being sentenced to death and executed.[38][39]

[edit] Melamine poisoning by tainted food

Melamine has been involved in several food recalls after the discovery of severe kidney damages of children and pets poisoned by melamine-adulterated food.

[edit] 2007 Animal feed recalls

Further information: 2007 pet food recalls and Chinese protein adulteration

In 2007, a pet food recall was initiated by Menu Foods and other pet food manufacturers who had found their products had been contaminated and caused serious illnesses or deaths in some of the animals that had eaten them.[40][41][42] In March 2007, the US Food and Drug Administration reported finding white granular melamine in the pet food, in samples of white granular wheat gluten imported from a single source in China, Xuzhou Anying Biologic Technology[43] as well as in crystalline form in the kidneys and in urine of affected animals.[44] Further vegetable protein imported from China was later implicated.

In April 2007, The New York Times reported that the addition of "melamine scrap" into fish and livestock feed to give the false appearance of a higher level of protein was an "open secret" in many parts of mainland China, reporting that this melamine scrap was being produced by at least one plant processing coal into melamine.[45] Four days later, the New York Times reported that, despite the widely reported ban on melamine use in vegetable proteins in mainland China, at least some chemical manufacturers continued to report selling it for use in animal feed and in products for human consumption. Li Xiuping, a manager at Henan Xinxiang Huaxing Chemical in Henan Province, stated, "Our chemical products are mostly used for additives, not for animal feed. Melamine is mainly used in the chemical industry, but it can also be used in making cakes."[46] Shandong Mingshui Great Chemical Group, the company reported by the New York Times as producing melamine from coal, produces and sells both urea and melamine but does not list melamine resin as a product.[47]

Another recall incident in 2007 involved melamine which had been purposely added as a binder to fish and livestock feed manufactured in the United States. This was traced to suppliers in Ohio and Colorado.[48]

[edit] 2008 Chinese outbreak

Further information: 2008 Chinese milk scandal

In September 2008, several companies, including Nestlé, were implicated in a scandal involving milk and infant formula which had been adulterated with melamine, leading to kidney stones and other renal failure, especially among young children. By December 2008, nearly 300,000 people had become ill, with more than 50,000 infant hospitalizations and six infant deaths.[49][50][51] In a study published in the New England Journal of Medicine, it was reported that melamine exposure increased the incidence of urinary tract stones by seven times in children.[52] Melamine may have been added to fool government protein content tests after water was added to fraudulently dilute the milk. Because of melamine's high nitrogen content (66% by mass versus approx. 10–12% for typical protein), it can cause the protein content of food to appear higher than the true value.[53][54] Officials estimate that about 20 percent of the dairy companies tested in China sell products tainted with melamine. On January 22, 2009, three of those involved in the scandal (including one conditional sentence) were sentenced to death in a Chinese court.[55]

In October 2008, "Select Fresh Brown Eggs" imported to Hong Kong from the Hanwei Group in Dalian in northeastern China, were found to be contaminated with nearly twice the legal limit of melamine. York Chow, the health secretary of Hong Kong, said he thought animal feeds might be the source of the contamination and announced that the Hong Kong Centre for Food Safety would henceforward be testing all mainland Chinese pork, farmed fish, animal feed, chicken meat, eggs, and offal products for melamine.[56]

As of July 2010, Chinese authorities were still reporting some seizures of melamine-contaminated dairy product in some provinces, though it was unclear whether these new contaminations constituted wholly new adulterations or were the result of illegal reuse of material from the 2008 adulterations.[57][58]

On characterization and treatment of urinary stones in affected infants, the New England Journal of Medicine printed an editorial in March 2009, along with reports on cases from Beijing, Hong Kong and Taipei.[59]

Urinary calculi specimens were collected from 15 cases treated in Beijing and were analyzed as unknown objects for their components at Beijing Institute of Microchemistry using infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance, and high performance liquid chromatography. The result of the analysis showed that the calculus was composed of melamine and uric acid, and the molecular ratio of uric acid to melamine was around 2:1.[60]

In a 2009 study of 683 children diagnosed in Beijing in 2008 with nephrolithiasis and 6,498 children without nephrolithiasis aged < 3 years, investigators found that in children exposed to melamine levels < 0.2 mg/kg per day, the risk for nephrolithiasis was 1.7 times higher than in those without melamine exposure, suggesting that the risk of melamine-induced nephrolithiasis in young children starts at a lower intake level than the levels recommended by the World Health Organization.[61]

In a study published in 2010, researchers from Beijing University studying ultrasound images of infants who fell ill in the 2008 contamination found that while most children in a rural Chinese area recovered, 12 per cent still showed kidney abnormalities six months later. "The potential for long-term complications after exposure to melamine remains a serious concern," the report said. "Our results suggest a need for further follow-up of affected children to evaluate the possible long-term impact on health, including renal function."[62] Another 2010 followup study from Lanzhou University attributed the uric acid stone accumulation after ingestion of melamine to a rapid aggradation of metabolites such as cyanuric acid diamide (ammeline) and cyanuric acid and reported that urine alkalinization and stone liberalization were the most effective treatments.[24]

[edit] Testing in food

Until the 2007 pet food recalls, melamine had not routinely been monitored in food, except in the context of plastic safety or insecticide residue. This could be due to the previously assumed low toxicity of melamine, and the relatively expensive methods of detection.

Following the 2008 deaths of children in China from powdered milk, the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission in Belgium set-up a website about methods to detect melamine.[63] In May 2009, the JRC published the results of a study that benchmarked the ability of labs around the world to accurately measure melamine in food. The study concluded that the majority of labs can effectively detect melamine in food.[64]

In October 2008, the U.S. Food and Drug Administration (FDA) issued new methods for the analysis of melamine and cyanuric acid in infant formulations in the Laboratory Information Bulletin No 4421.[65] Similar recommendations have been issued by other authorities, like the Japanese Ministry of Health, Labor and Welfare,[66] both based on liquid chromatography – mass spectrometry (LC/MS) detection after hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) separation.[67]

The existing methods for melamine determination using a triple quadrupole liquid chromatography – mass spectrometry (LC/MS) after solid phase extraction (SPE) are often complex and time consuming. However, electrospray ionization methods coupled with mass spectrometry allow a rapid and direct analysis of samples with complex matrices: the native liquid samples are directly ionized under ambient conditions in their original solution. In December 2008, two new fast and inexpensive methods for detecting melamine in liquids have been published on-line in the Chem. Comm. Journal of the Royal Society of Chemistry (UK).[68]

Ultrasound-assisted extractive electrospray ionization mass spectrometry (EESI-MS) has been developed at ETH Zurich (Switzerland) by Zhu et al., (2008)[69][70] for a rapid detection of melamine in untreated food samples. Ultrasounds are used to nebulize the melamine-containing liquids into a fine spray. The spray is then ionised by extractive electrospray ionisation (EESI) and analysed using tandem mass spectrometry (MS/MS). An analysis requires 30 seconds per sample. The limit of detection of melamine is a few nanograms of melamine per gram of milk.[citation needed]

Huang et al., (2008)[71][72] have also developed at Purdue University (US) a simpler instrumentation and a faster method by using a low-temperature plasma probe to ionize the samples. The major obstacles being solved, the ESI-MS technique allows now high-throughput analysis of melamine traces in complex mixtures.

The Melaminometer[73][74] was a hypothetical design for a synthetic biology circuit, to used for detecting melamine and related chemical analogues such as cyanuric acid. The conceptual project is hosted at OpenWetWare as open source biology in collaboration with DIYbio and has been discussed in various newspapers in the context of homebrew biotechnology. As of October 2009, the design has not been verified.

Because melamine resin is often used in food packaging and tableware, melamine at ppm level (1 part per million) in food and beverage has been reported due to migration from melamine-containing resins.[75] Small amounts of melamine have also been reported in foodstuff as a metabolite product of cyromazine, an insecticide used on animals and crops.[76]

The Food Safety and Inspection Service (FSIS) of the United States Department of Agriculture (USDA) provides a test method for analyzing cyromazine and melamine in animal tissues.[77][78] In 2007, the FDA began using a high performance liquid chromatography test to determine the melamine, ammeline, ammelide, and cyanuric acid contamination in food.[79] Another procedure is based on surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS).[80][81]

Member States of the European Union are required under Commission Decision 2008/757/EC[82] to ensure that all composite products containing at least 15% of milk product, originating from China, are systematically tested before import into the Community and that all such products which are shown to contain melamine in excess of 2.5 mg/kg are immediately destroyed.

 

출처: <http://en.wikipedia.org/wiki/Melamine>

 

   

7만 4천 년 전에 분화한 인도네시아의 토바 화산은 현재 세계 최대의 칼데라호인 토바 호수가 되어 있다. <출처: (cc) Edubucher at Wikimedia.org>

초창기의 인류는 전 세계로 퍼져나가던 중 7만 4천 년 전에 멸절의 위기를 한 차례 맞았었다. '초화산(supervolcano)'인 토바 화산이 분화를 했기 때문이다. 빙심 시추와 해양퇴적물에 의해 토바 화산의 실체가 드러났다.

이 화산의 폭발이 일어나고 수십 년 동안의 얼음 코어 속 산소동위원소 비율은 지난 수만 년을 통틀어 가장 낮았다. 다시 말해 토바 화산이 폭발한 뒤 수십 년 동안은 빙하기가 최고조에 달했을 때보다도 더 추웠다는 것이다. 지구 전역에 걸쳐 기온이 16℃ 정도 하강한 것으로 추정된다. 적도에서 멀리 떨어진 지역일수록 기온이 더 많이 떨어졌다.

이처럼 기후조건이 악화되면서 식량이 줄어들고 전염병이 창궐했다. 인류는 기근과 질병이라는 두 가지 재앙 앞에 무기력했다. 유럽과 중국 북부에 살던 초기 인류는 아마 완전히 멸종했을 것이다. 기후변화의 영향이 가장 적게 미쳤던 지역의 인류만이 살아남을 수 있었다. 그곳이 바로 아프리카였다. 이전의 인류가 멸절되고 아프리카에서 현생 인류가 퍼져 나온 것은 바로 토바 화산 때문이었다.

1. 태양 복사량의 변화

1941년에 세르비아의 천문학자 밀란코비치(Milutin Milanković, 1879~1958)는 과거 100만 년 동안의 지구궤도 운동에 대해 연구했다. 그는 이 연구로 지구에 도달하는 태양 복사량을 밝힌 정밀한 계산 결과를 발표했다.

   

기후역사의 연구에 엄청난 기여를 한 세르비아의 천문학자 밀란코비치.

밀란코비치가 이 계산을 했던 북반구의 고위도 지방은 기후변화를 파악함에 있어 중요한 지역이다. 빙하기를 이루기 위해 필요한 거대한 대륙 빙상이 형성되고 소멸되는 지역이기 때문이다. 밀란코비치는 여름 동안 태양 복사에너지가 줄어든 기간을 분석했다.

그는 이 데이터와 65만 년에 걸쳐 유럽 대륙 전역에서 일어났다고 알려진 네 번의 빙하기 사이에 긴밀한 상관관계가 있다는 것을 발견했다. 밀란코비치 이전에도 지구의 기후변동이 천문학적 요인 때문이라고 주장한 학자들은 있었다. 그러나 밀란코비치처럼 정확하게 분석한 과학자는 없었다.

태양 복사에너지의 차이는 여러 가지 원인에 의해 발생한다. 궤도변화는 지구에 도달하는 태양 복사량에 영향을 준다. 따라서 지구의 장기적인 기후변화에 중대한 요인으로 작용한다. 지구에 도달하는 태양 복사량에 변화를 일으키는 궤도변화는 3가지가 있다. 지구궤도의 형태와 연관된 이심률, 지축의 기울기인 경사도의 변화, 세차운동 등이다.

이심률(eccentricity)

이심률은 지구궤도의 형태 변화를 나타낸다. 태양 주위를 공전하는 지구의 궤도는 완전한 원이 아니다. 지구의 공전궤도는 오랜 기간에 걸쳐 원에 가까운 형태에서 타원형으로 점차 변하다가 다시 원형으로 되돌아간다.

지구가 태양에서 가장 멀리 있을 때와 가장 가까이 있을 때 태양 복사에너지의 차이는 이심률 차이의 4배보다 조금 더 크다. 지구궤도는 원에서 타원으로 움직이며 매 9만 6천 년마다 다시 돌아온다. 시간이 지남에 따라 타원의 장축 길이가 변화하는 것이다.

이심률이 0인 원형 궤도

이심률이 0.5인 궤도

지구와 태양이 가장 가까운 위치(1억 4,600만㎞)에 있는 지점을 근일점, 지구와 태양이 가장 먼 거리에 위치한 지점을 원일점이라 한다. 이심률의 변화는 전체 연간 태양 복사열의 약 0.3%의 차이를 가져온다. 그러나 이 정도로도 계절변화를 만들 수 있다. 만약 지구의 공전궤도가 완벽한 원이었다면 태양에너지의 계절변화는 없었을 것이다.

경사도의 변화(obliquity)

   

경사도의 변화

경사도의 변화는 지구의 공전궤도면(지구궤도가 만들어내는 가상의 면)에 대한 지축의 기울기 변화와 연관이 있다. 밀란코비치는 오랜 시간 수작업으로 지축의 경사 감소가 여름철 복사량의 감소를 가져온다는 사실을 밝혀냈다. 그리고 그 효과가 위도에 따라 다르다는 것도 밝혀냈다.

고위도의 지구-태양 거리 경사주기는 4만 1,000년, 적도의 주기는 2만 2,000년이었다. 그는 기후의 영향을 받는 적설이 여름철 복사의 변화에 따라 얼마나 증가할 수 있는지를 알아냈다. 산악의 설선(snow lines) 자료를 사용한 그의 분석은 정확한 것으로 후에 밝혀졌다.

지축이 기울어져 있기 때문에 지구에는 계절이 나타난다. 아울러 계절에 따른 태양 복사에너지의 진폭이 생긴다. 지축의 기울기는 최소 21.5도에서 최대 24.5도 사이를 오르락내리락한다. 현재의 기울기는 23.5도에 가깝고 점점 줄어들고 있다. 서기 1만 년경에는 최솟값에 도달할 것으로 예측된다.

세차운동(axial precession)

세 번째 궤도 메커니즘은 세차운동이라고 하는 춘분점(북반구의 경우) 이동과 연관된 근일점 경도의 변화다. 간단히 말해서 시간의 흐름에 따른 지축의 요동을 말한다. 태양계의 다른 행성, 주로 목성과 토성이 지구에 미치는 인력에 의해 나타난다.

   

세차운동

세차운동으로 인해 항성을 기준으로 한 지구 자전축의 회전 방향이 바뀐다. 따라서 세차운동은 1년 중 지구의 공전궤도가 태양에 가장 가까운 지점인 근일점과 가장 먼 지점인 원일점이 나타나는 시기를 변화시킨다. 약 1만 9,000년과 2만 3,000년의 주기를 가지고 있다.

세차운동은 (위도 0°인 적도에 미치는 경사의 영향과는 다르게) 열대지방에 가장 중요한 영향을 미친다. 열대지방에 발생하는 일사량의 직접적인 효과는 세차운동에 의해 조절된 이심률 때문이다.

현재는 보다 정교한 기후이론이 나오고 있지만 밀란코비치의 발견은 기후역사의 연구에 엄청난 기여를 했다. 20세기 후반기의 기후학 연구는 대부분 지구 대기의 서로 다른 기후 되먹임 과정(climate-feedbackmechanism)을 밝히고 평가하는 것과 연관이 있었다. 밀란코비치의 연구는 이 되먹임 과정의 내용을 정확하게 예측했다. 그가 세심하게 계산한 궤도 이론은 지난 200만 년 동안 빙하기가 발생한 원인을 설명할 수 있었던 것이다.

2. 태양 흑점의 변화

기원후 지구 역사상 가장 추웠던 시기가 17세기 중반이었다. 어떤 원인으로 그토록 추웠던 것일까? 천문학자들의 연구에 의하면 당시에 태양의 흑점이 거의 발생하지 않았다고 한다. 즉 소빙하기 중에서도 가장 추웠던 17세기 중반은 태양의 표면에 생기는 흑점의 수가 현저히 감소한 시대와 정확히 일치한다.

그렇다면 지구의 기후변화에 태양 흑점이 영향을 준 것일까? 많은 학자들이 연구에 연구를 거듭했다. 태양 흑점은 기원전에 중국의 천문학자들이 발견한 바 있다. 동양의 기록을 분석해보면 태양 흑점의 증감을 알 수 있다.

갈릴레이는 망원경을 이용해 태양 흑점을 관측한 후 상세한 기록을 남겼다. 그 기록에 따르면 서기 1645년에서 1715년까지는 태양 흑점이 거의 관측되지 않았다. 이 시기를 태양 흑점의 극소기라 하여, 기후와 태양 흑점변화의 연관성을 입증한 영국의 천문학자 에드워드 마운더(Edward Walter Maunder, 1851~1928)의 이름을 따 '마운더 극소기'라고 부른다.

태양 흑점 개수의 변화 <출처: NASA>

흑점현상이 많아지면 태양에는 주위보다 온도가 높은 백반(白班)현상이 증가한다. 태양표면이 활발하게 대류운동을 한다는 뜻으로 폭발이나 플레어(flare)1) 현상도 자주 발생한다. 따라서 태양의 복사에너지는 흑점이 많을 때 크고, 적을 때는 작아진다. 그래서 흑점을 소빙하기의 원인으로 꼽았고 태양 흑점의 변화를 연구해 기후변화를 추정하는 것이다.

그러나 최근 탐측기술이 발달하면서 흑점 수 변화에 따른 입사에너지의 변동이 1㎡ 당 약 1~2와트로 매우 작다는 사실이 밝혀졌다. 최근 기후학자들은 태양의 흑점활동이 소빙하기의 한랭한 기후를 만들었다고 보지 않는다. 다만 흑점현상으로 인한 자외선 복사감소의 2차적 영향, 우주선(cosmic rays) 강도의 변동 등 여러 가능성이 겹쳐졌을 것으로 보고 있다.

3. 지각운동과 화산분출

지구가 처음부터 지금의 대륙과 해양의 모습을 하고 있었던 것은 아니다. 계속적인 지각운동으로 변화를 거듭해 왔다. 판구조론에서 설명하는 것 처럼 지각운동의 영향으로 대륙의 위치와 크기가 바뀌었다. 해양분지의 형태나 배열에도 커다란 변화가 있었고, 산지와 고원의 크기와 위치도 변화되어 왔다. 그 결과 세계적인 대기대순환(大氣大循環)과 해양순환의 패턴이 바뀌게 되었다.

해양순환이 바뀌면 표층해류나 심층해류가 바뀐다. 또 대륙 위치의 변화는 주요 빙하기(페름·석탄기의 빙하기)뿐 아니라 습윤하거나 건조한 환경이 발달한 시기(페름·트라이아스)가 나타나도록 했다. 현재 티베트 고원과 히말라야 산맥이 융기하고 있는 것도 지각운동의 하나다. 이로 인해 중국 서부와 중앙아시아 지역으로 건조한 사막 환경이 발달하게 된 것이다.

짧은 시간에 가장 많은 기후변화를 가져오는 것 중의 하나가 화산 분출이다. 강력한 폭발성 화산 분화는 먼지와 이산화황 분진을 성층권으로 분출시킨다. 이로 인해 지구 상공에 화산 분진이 돌면서 극심한 기후변화가 일어난다. 적도에서 분화된 물질들은 양쪽 반구로 확산된다. 그러나 중위도에서 분출되어 고위도로 확산되는 것은 분출된 반구 쪽으로만 영향을 준다.

파푸아뉴기니 타부르부르 화산의 분화 <출처: (cc) Taro Taylor at Wikimedia.org>

화산의 분화 기록들은 남극과 그린란드 빙상에 보존되어 있다. 최근에 가장 큰 영향을 준 화산 분화는 1815년의 탐보라 화산2) 분화이다. 다량의 화산 물질이 성층권으로 치솟으면서 북반구에 3년 동안 여름이 없는 기후를 만들었다. 이로 인해 식량감산과 유럽의 폭동, 발진티푸스, 장티푸스의 창궐, 금융대공황이 발생했다.

4. 대기 조성의 변화

온실효과가 반드시 인간이 배출하는 이산화탄소의 증가만으로 일어나는 것은 아니다. 인간의 산업활동과 구별되는, 대기 조성의 변화로 발생하는 자연적인 온실효과도 상당하다. 예를 들어 열염대순환의 변화로 인한 해양에서의 미량 기체의 흡수가 있다. 또 지표 식생에 미치는 빙기-간빙기 변화는 대기 중 이산화탄소와 메탄 함량의 변화를 가져온다.

온실가스(이산화탄소나 메탄)와 지구 온도의 변화는 빙기와 간빙기 동안에 실제로 동시에 일어났다. 그렇기에 명확한 원인을 알기는 어렵다. 많은 기후학자들은 극 빙상 연구로 나타난 대기 중 이산화탄소의 장기간 및 단기간의 변화 모두가 해양과 육지의 생물 활동과 해양 해류 순환이 복합적으로 작용한 것으로 보고 있다.

이 외에 기후를 변화시킬 가능성이 있는 자연적인 원인으로 혜성이나 소행성 또는 큰 운석들과의 충돌이 있다. 지구는 지난 수십억 년 동안 외계물질과의 수없는 충돌에 의해 지금의 질량을 갖게 된 것이다.

캐나다의 퀘벡 주에 있는 운석 구덩이

대표적인 사례가 멕시코 유카탄 반도에 떨어진 거대한 운석이다. 이 운석의 직경은 5~15㎞ 정도로 추정된다. 운석이 지구에 부딪치면서 엄청난 지각변동과 함께 먼지가 성층권까지 솟아올랐다. 결국 대량의 먼지가 성층권과 대류권 내의 에어러졸3)을 증가시켰고 이것이 지구의 기후를 바꾼 원인이 되었다. 에어로졸이 태양빛을 가리면서 기온이 뚝 떨어진 것이다. 당시 지구에 번성했던 공룡 등의 파충류들은 변온동물이라 추운 날씨를 견디지 못하고 멸종한 것으로 보인다.

반기성 | 케이웨더 기후산업연구소장

연세대 천문기상학과 및 대학원 졸업하고, 공군 기상전대장과 한국기상학회 부회장을 역임했다. 현재 케이웨더 기후산업연구소장이며, 조선대학교 대기과학과 겸임교수로 있다. 연세대에도 출강하고 있다. 저서로는 [워렌버핏이 날씨시장으로 온 까닭은?], [날씨가 바꾼 서프라이징 세계사] 등 15권이 있다.