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깊은 동굴 속은 왜 여름엔 시원하고 겨울엔 따뜻할까?

한여름에 동굴에 들어가면 서늘하고, 한겨울에는 오히려 따뜻하게 느껴지는 까닭은 무엇일까요?

무슨 일이 일어났나

햇빛이 데우는 것은 땅 겉 쪽뿐이고(NOAA), 그 열은 바위 속으로 아주 천천히 전도됩니다. 겉이 여름에 데워졌다가 겨울에 식는 동안 깊은 곳에는 그 오르내림이 약하게, 그리고 늦게 닿습니다.

열확산도 1.00×10⁻⁶ m²/s 인 시뮬레이터 땅에서 깊이 5 m 의 오르내림은 겉의 0.206 배(±2.48 °C)로 줄고 가장 따뜻한 때가 91.7 일 늦습니다. 깊이 10 m 에서는 ±0.511 °C 로 줄고 183 일, 곧 반년이 늦어 바깥이 여름일 때 오히려 가장 서늘합니다.

깊이 21.9 m 에서는 오르내림이 겉의 0.1 % 로 줄어듭니다. 미국 지질조사국(USGS) 보고서도 같은 열확산도에서 그 깊이를 2,180 cm 로 적었고, 한 해 물결의 효과가 흔히 25 m, 열이 잘 퍼지는 바위에서는 40 m 까지 닿는다고 적었습니다.

낮과 밤의 오르내림은 훨씬 얕은 곳에서 지워져, 같은 땅에서 하루 물결은 깊이 1.15 m 면 겉의 0.1 % 가 됩니다. USGS 보고서는 하루 · 며칠짜리 물결을 깊이 5 m 아래에서는 무시해도 된다고 적습니다.

그래서 깊은 동굴은 한 해 내내 거의 같은 온도라 바깥이 더운 여름에는 시원하게, 추운 겨울에는 따뜻하게 느껴집니다. 미국 매머드 동굴 깊은 곳은 12 °C 쯤이고, 입구 가까이는 온도가 크게 바뀝니다(미국 국립공원청).

📸 진짜 모습

미국 뉴멕시코주 칼즈배드 동굴의 자연 입구로, 원형 극장처럼 둥글게 파인 자리입니다.불러오는 중…📸 사진

미국 뉴멕시코주 칼즈배드 동굴의 자연 입구로, 원형 극장처럼 둥글게 파인 자리입니다.

출처: USGS · 퍼블릭 도메인 · USGS 원본 ↗

💡 생활 속 예시

  • 여름 한낮 바닷가에서 맨발로 밟은 모래는 뜨겁지만, 손으로 조금만 파 내려가면 서늘한 모래가 나옵니다.
  • 땅속 깊이 묻은 수도관은 한겨울에도 잘 얼지 않습니다. 땅 겉의 추위가 깊은 곳까지 다 내려가기 전에 봄이 오기 때문입니다.

확인된 값

매머드 동굴 깊은 곳의 온도 12 °C (54 °F ≈ 285 K) (미국 국립공원청)
12 °C 출처
동굴 입구 가까이는 온도가 크게 바뀐다(특히 겨울) (NPS)
입구는 크게 바뀜 출처
햇빛이 데우는 것은 땅 겉 몇 인치뿐 — 깊은 곳은 낮 · 계절 변화가 덜 닿음 (NOAA)
겉 몇 인치 출처
한 해 온도 물결의 효과는 흔히 깊이 25 m, 열이 잘 퍼지는 바위에서는 40 m 까지 닿는다 (USGS)
25 m · 40 m m 출처
하루 · 며칠짜리 온도 물결은 아주 빨리 약해져 깊이 5 m 아래에서는 무시해도 된다 (USGS)
5 m 출처
열확산도 0.0100 cm²/s (= 1.00×10⁻⁶ m²/s) 땅에서 한 해 오르내림이 겉의 0.1 % 가 되는 깊이 (USGS 표 2)
2180 cm 출처
한 해(회귀년)의 길이 (NIST SP 811)
31556930 s 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 열

출처

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같은 단원 · 열의 이동

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