깊은 동굴 속은 왜 여름엔 시원하고 겨울엔 따뜻할까?

Why are deep caves cool in summer and warm in winter?

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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