지구온난화를 부추기는 수증기 메탄 이산화탄소 오존 이산화질소 CFC 그리고 산성비의 주범인 아황산가스가 대기의 변화를 이끌고 있다.
우주 내에서 유일하게 생물이 존재할 수 있을 만큼 훌륭한 대기를 갖고 있는 곳은 오직 지구 뿐이다. 그런데 이러한 대기가 다양한 인간생활의 결과로 크게 변하고 있다는 것은 우리에게 충격적인 일이 아닐 수 없다. 대부분의 학자(기상 및 환경)들은 대기성질의 변화에 깊은 우려를 나타내고 있으며, 하나 뿐인 지구환경 보호를 위한 범세계적인 운동과 이와 관련된 각종 국제협약(오존층 파괴기체 규제, 이산화탄소사용량 하향조정)을 활발히 추진하고 있다.
10년동안 0.1℃ 상승
1989년 10월 미국 국회상하양원은 미항공우주국(NASA)의 기후학자 한센(Hansen)박사를 출석시켜 지구의 대기온난화현상과 이산화탄소(${C0}_{2}$)증가에 대한 청문회를 가졌다. 여기서 한센박사는 과거 1백년 동안 지구대기 내의 이산화탄소량이 30% 이상 증가했고 이러한 증가추세로 나간다면 2050년에는 현재보다 40% 이상 늘어나게 돼 지구의 기온을 현재보다 4℃ 이상 상승시킬 것이라는 획기적인 발표를 했다. 그는 또 1880년 산업혁명 이후 오늘날까지 지구의 기온은 1℃ 이상 증가했다고 보고했다.
당시 미국의회에 일대 논란을 불러 일으킨 이러한 추산은 결코 근거가 희박한 것이 아이다. 그것은 한센박사가 10년동안 개발한 지구의 대기대순환모델(General Circulation Model, GCM)을 컴퓨터로 시뮬레이션 해 장래의 지구기후를 예측한 결과였기 때문이다.
필자도 미국에 있을 때 한센박사팀이 개발한 GCM을 사용, 기후변화에 따른 벼 작물의 성장과 생산량 변화를 예측한 연구결과를 발표한 바 있다. 연구결과 지구대기 내의 이 산화탄소량이 1.5배가 된다면 우리가 살고 있는 북반구의 기온이 상승하고 구름량이 증가함에 따라 비가 잦아져 벼의 생산량 증가를 가져올 것으로 예측됐다. 그러나 이산화탄소량이 두배가 된다고 가정했을 때는 사정이 뒤바뀌었다. 즉 뜨거운 기온과 증발효과의 상승으로 벼 생산량의 감소를 초래할 것으로 예측됐다.
한센박사의 주장이 나오자 미국의 해양학자 솔로우(Andrew Solow)박사는 산업혁명 이후 국지적 개발에 따른 기온증가의 예는 찾을 수 있었으나 전 지구대기의 기온상승은 발견할 수 없었다고 반박했다. 특히 미국 위스콘신대학 기상학과 브라이슨(Reid Bryson)박사는 1500년부터 1880년까지는 지구가 빙하기였기 때문에 그 이후의 기온증가는 오히려 당연하며 GCM 그 자체가 완전하지 않기 때문에 GCM이 내놓은 결과들은 아직 믿을 수 없다고 주장했다. 또 브라이슨박사는 오늘날 이산화탄소량이 증가하고 있는 것은 사실이며 이로 인한 기온상승은 필연적이나 한센박사의 주장과 같이 50년 후에 기온 이 4℃ 이상 상승하는 것은 받아들이기 어렵다고 말했다.
지표에 도달하는 태양 복사에너지는 짧은 파장(short wave, 0.3-0.5㎛) 형태로 대기를 통과한다. 이 에너지는 일단 흡수된 뒤 장파(long wave, 4~50㎛)형태로 재 복사돼 지구의 에너지 수지균형에 참여, 대기는 평균 15℃ 정도로 항상 유지된다.
만일 우주로 빠져 나가는 에너지를 가두는 물질, 즉 지구대기가 존재하지 않는다면 지표의 평균온도는 -18℃ 이하로 떨어질 것이다. 반면 복사에너지를 흡수하는 기체의 양이 증가돼 지표의 복사에너지 흡수능력이 높아진다면 대기의 온도는 크게 상승할 것이다. 이것이 바로 지구온실효과다.
냉각효과도 관찰돼
장파복사에너지를 가장 많이 흡수하는 기체는 수증기(${H}_{2}{0}$)다. 그러나 수증기에 의한 기온상승은 전혀 문제되지 않는다. 전 지구적으로 볼 때 그 양이 일정하기 때문이다. 과거 수십년 동안의 지구기온 관측에 따르면 10년마다 0.1℃정도의 평균기온 상승을 보였다고 한다. 아울러 복사에너지를 흡수하는 기체의 증가에 따른 온실효과의 상승도 비교적 뚜렷이 파악되고 있다.
수증기외에도 온실기체는 수두룩하다. 예컨대 이산화탄소(${CO}_{2}$) 메탄(${CH}_{4}$) 이산화질소(${NO}_{2}$) 오존(${O}_{3}$) 아황산가스(${SO}_{2}$) CFC(Chlorofluorocarbon)는 대기의 온난화현상을 시키고 있다.
온실효과에 대한 각 기체의 기여도는 서로 상당한 차이를 보인다. 예를 들어 한개의 CFC 12의 복사에너지 흡수도는 이산화탄소의 ${10}^{4}$배에 달한다.
대류권내의 수증기량은 계절에 따라 1만5천ppm에서 3ppm까지 변화가 극심하고 지역에 따라서도 다양하다. 클라페이론(Clausius Clapeyron)의 이론에 따르면 대기온도 1K를 높이려면 수증기량을 6% 증가시켜 주어야 한다. 실제로 수증기의 증가는 기온상승을 촉진시키고 대기내의 피드백현상을 가속시킨다.
뉴욕대학의 세스(Cess)교수는 이산화탄소가 증가한다면 수면과 지면의 온도가 일단 상승하지만, 그에 따라 수분의 증발이 촉진되고 구름의 양이 많아져 태양에서 오는 단파에너지를 더 많이 차단시키기 때문에 오히려 대기의 온도를 감소시키고 가끔 집중호우의 원인이 되기도 한다고 주장했다.
한편 미 해양기상청(N0AA)의 스토우(Stowe)박사도 이산화탄소가 현재 양의 두배로 늘었을 경우, 구름에 의한 냉각효과는 온실효과로 상승하는 온도를 현저히 떨어뜨린다고 밝혔다. 반면 최근 시카고대학의 라마나탄(Ramanathan)교수는 기상위성 님부스(Nimbus) 7호가 보내온 자료를 분석한 결과, 구름의 증가에 따른 대기의 냉각효과는 발견치 못했다고 상반된 입장을 보였다.
대류권내의 오존량은 온실효과를 유발해 기온상승을 초래하지만 요즘 크게 문제되고 있는 성층권의 오존층 파괴는 자외선의 침투를 증가시킨다. 왓슨(Watson) 등의 조사에 따르면 (1988년) 1978년~1985년 기간 동안 성층권의 오존량이 감소한 반면 대류권 내의 오존량은 10% 정도 증가했다고 한다. 지표부근의 오존은 그 수명이 짧고 지역적 분포가 고르지 않기 때문에 측정하기가 매우 어렵다.
산업 혁명후 대기의 온실효과는 1.9W/㎡(W는 와트) 정도 증가했지만 지금과 같은 추세로 온실기체가 많아진다면 2035년에는 3.5W/㎡를 나타내고 60년 후에는 7.2W/㎡를 기록할 예정이라는 것이 미국의 기상학자 미첼(Mitchell)의 계산이다. 그러나 이 수치는 대류권내 오존의 증가와 성층권 오존층의 파괴를 고려하지 않은 것이다. 지난 해 NASA의 위성학자 피시맨(Fish-man)이 수행한 인공위성(N0AA 11) 자료 분석에 따르면 미국 동부와 유럽지역 그리고 한국 일본을 포함한 아시아 동부지역의 지상 오존량이 현저히 증가하고 있다고 한다. 이것은 산업발달과 교통증가에 따른 질소산화물의 (${N0}_{x}$) 증가에 기인한 것이다.
해양도 두손 들고
온실효과의 주범인 이산화탄소의 대기함량은 7백20Gt(1Gt=${10}^{9}$ metric tons)이고 지표에 포함된 양은 1천5백Gt이다. 그리고 해양에는 3만8천Gt이 포함된 것으로 현재 조사돼 있다. 산업혁명 이전 대기중의 이산화탄소 농도는 2백65~2백90ppm으로 조사 됐다. 그러나 산업혁명 이후 지금까지 이산화탄소의 대기중 농도가 25%나 증가했다. 그 원인은 물론 석탄 석유 기타 연소가스의 사용에 있다.
해양은 이산화탄소의 1차적인 소멸지이지만 1958년 이후 화석연료의 사용증가 속도를 따라 잡지 못하고 있다. 이미 해양이 이산화탄소의 균형을 잡기에는 역부족인 상태다. 작년 현재 이산화탄소에 의한 온실효과는 50W/㎡이고 1860년 이래 매년 1.3W/㎡씩 증가해 왔다고 한다.
대기대순환모델의 예상대로 매년 1.5ppm의 이산화탄소가 증가한다면 2035년의 대기는 4백20ppm의 이산화탄소농도를 보일 것이다. 한편 일본의 기상연구소(MRI)에서 개발한 대기대순환 시나리오에 따르면 같은 해 대기중 이산화탄소농도가 4백75ppm이 될 것이다.
공기중 메탄(Methane)에 의한 개별 온실 효과는 이산화탄소보다 오히려 크지만 대기에 포함된 농도가 적어 상대적 효과는 낮은 편이다. 메탄의 대기농도는 4백여년 전 0.7ppm이었으나 현재는 1.7ppm을 기록하고 있다. 메탄은 대기에 1.7W/㎡ 열량을 제공함으로써 온실효과에 일조해 오고 있는데 이는 1860년 이래 0.4W/㎡가 증가된 수치다. 메탄의 주요 발생지는 습기찬 초지나 논밭의 작물이며 특히 벼의 성장과정에서 많이 발생된다. 지난 10년간 매년 1% 이상의 메탄이 증가했는데 앞으로 50년 후에는 2.8ppm을 기록할 것이라는 예상치가 나와 있다. 메탄량의 증가도 산업발달에 따른 화석연료 사용급증과 긴밀히 연결돼 있으며 실제로 미국의 환경청(EPA)은 1990년 메탄이 대기오염에 따른 온실기체라고 공식 발표한 바 있다.
이산화질소(${N}_{2}{0}$)도 지구온난화를 거들고 있다. 산업혁명 전 이산화질소의 대기함유량은 0.28ppm 이었다. 그러나 이 기체는 산업혁명이후 매년 0.2%씩 증가, 현재는 대기온실효과에 한몫을 톡톡히 하고 있다. 대기대순환모델에 따르면 이산화질소의 대기 농도는 2035년에 0.332ppm이 될 것이라고 한다. 이 이산화질소의 발생원인은 토양과 물에 섞여있는 미생물의 활동과 질소비료의 사용, 자동차 배기가스, 농작물의 연소 등이고 성층권의 광분해(photolysis)과정을 통해 소멸된다. 시카고대학의 라마나탄교수는 2030년에 이산화질소의 대기 농도가 0.375ppm에 이를 것이라고 예측했다.
CFC도 대기의 변화에 적지 않은 영향을 미친다. 아직까지 CFC 11과 CFC 12에 의한 온실효과는 상대적으로 매우 적다. 그러나 오늘날 산업발달과 함께 그 양이 급속히 증가되고 있을 뿐더러 성층권의 오존층을 파괴, 대기의 균형을 심각하게 깨뜨리고 있다.
최근 발표에 따르면 지난 40년동안 CFC 11은 0.5ppb에서 0.7ppb로, CFC 12는 1.0 ppb에서 2.1ppb로 그 농도가 증가했다고 한다. 그런데 대기가 함유할 수 있는 CFC 11 과 CFC 12의 상한선은 각각 2.7ppb와 4.6ppb인 것으로 알려져 있다.
지구온난화현상이 오늘날 과학자들이 우려하고 있는 것만큼 현재의 추세를 가속화할 것인지 아니면 어떤 한계점에 도달해 새로운 현상을 일으킬 것인지에 대한 명확한 결론은 없다.
그동안 학자들이 여러가지 견해를 제시했는데 그중 대기의 되먹임(feedback)현상이 가장 주요한 연구대상이 되고 있다. 즉 대기와 물 그리고 식물 사이의 어떤 유기적 관계로 유발되는 대기의 되먹임현상으로 인해 지구온실효과가 지연되거나 아니면 극적인 과정을 거치면서 급상승을 일으키지 않나를 연구하고 있다.
그 구체적인 예를 살펴보자. 미국 일리노이대학 기상학과 슐레싱거(Schlesinger)박사는 해양의 대규모 관성열역학적(large thermal interia of the oceans) 변화의 결과로 대기의 이산화탄소가 점차 느린 속도로 줄어가고 있기 때문에 오히려 대기의 온난화 효과는 감소하고 있다고 역설한 바 있다.
우산효과를 나타내고
대기의 가장 중요한 되먹임인자는 수증기다. 어떤 지역에 응결되지 않은 수증기가 많이 있어서 높은 습도를 나타내게 되면 일단 대기의 온도가 높아지고 구름층과 지표사 이의 기온도 따라서 증가된다. 그러나 이런 현상은 결국 역전된다고 한다. 태양의 단파 복사에너지를 반사시켜, 즉 복사에너지에 대한 우산효과(umbrella effect)를 일으킴으로써 대기의 냉각효과를 가져온다는 것이다. 결론적으로 라마나탄교수는 구름의 지구온난화효과나 대기냉각효과에 대한 연구는 자칫 잘못된 결론을 얻기 쉽고 더욱이 전지구에 미치는 효과는 아직 밝혀지지 않고 있다고 지적했다.
대기의 되먹임효과의 하나로 장파복사에너지 흡수기체인 메탄의 효과를 들 수 있다. 대부분의 메탄은 어떤 주어진 온도와 기압범위 내에서 주로 해안의 침전물 속에서 화학적 안정상태를 유지하고 있다. 그러나 인간 활동의 결과로 일단 해양의 온도와 기압이 상승하면 메탄은 곧 불안정한 상태로 변한다. 견디다 못한 메탄은 결국 대기속으로 방출돼 대기의 온실효과를 거들게 된다.
지구대기의 온도증가의 결과로 나타난 식물의 성장과 부패현상도 중요한 되먹임과정으로 연구되고 있다. 잘 알려져 있다시피 이산화탄소량의 증가는 대기의 온실효과를 높여 기온을 올라가게 만들고 한편으로는 식물의 광합성작용에 필요한 이산화탄소를 충분히 공급해 준다. 이로 인해 식물의 번식과 성장은 촉진되고 식물은 더 많은 태양에너지를 흡수한다.
한편 식물의 부패는 기온상승으로 더욱 촉진된다. 이들 유기물질의 부패가 진행되는 과정에서 다량의 이산화탄소가 나오는데 이 가스는 다시 대기속으로 유출돼 대기의 이산화탄소 함유량을 더욱 높임으로써 기온증가를 가속시킨다.
이때 이산화탄소의 증가에 따른 기온변화에 적응하지 못한 수목들은 급속한 감소현상을 보인다. 결국 그 지역의 사막화가 초래 된다. 일반적으로 아시아제국의 농토는 벼를 재배하는 논이 대부분이다. 수분함유량과 산소소모가 많은 논은 육지 안에서 메탄가스 최대발생지다. 따라서 벼농사지역에서는 이산화탄소에 의한 온난화현상보다는 메탄에 의한 온실효과가 더 현저하다. 더구나 벼농사지역에서는 메탄에 의한 온실효과 되먹임 현상이 나타나고 태양광의 반사효과가 낮기 때문에 더욱 많은 복사에너지를 흡수, 그야말로 온실효과가 극성을 부린다.
해양은 인간활동에 의해 발생된 이산화탄소의 50% 이상을 흡수한다. 일반적으로 대기가 더워지면 해면의 온도도 동반 상승, 결국 해수의 수직온도 구조가 더욱 안정상태로 변하게 돼 해양의 수직적 혼합(mixing)이 이뤄지지 않는다. 따라서 해양으로의 이산화탄소 전달이 원활하게 이뤄지지 않고 특히 이산화탄소를 흡수하는 플랑크톤(phytoplankton)이 감소, 대기의 순 이산화탄소량(net budget)은 증가한다.
아황산가스는 기온율 낮춰
산성비는 대기중의 오염물질 속에 포함돼 있는 황산화물이나 질산화물이 수분과 혼합, 황산이나 초산으로 바뀌기 때문에 생긴다. 즉 빗물속의 수소이온농도(pH)가 5.5 이하이면 일반적으로 우리의 생태계 전반에 악영향을 주는 산성비로 간주한다. 산성비의 주범은 아황산가스(${S0}_{2}$)다. 그래서 미국 의회에서는 약 1천만t의 아황산가스 발생을 줄인다면 지구의 대기온난화현상을 막는데 크게 기여하리라고 밝힌 바 있다.
반면 브라이슨박사는 오늘날 아황산가스나 먼지입자를 뿜어내는 문명의 이기는 가히 인간화산(human volcano)이라 할 수 있고 아황산가스를 포함한 먼지가 도시를 덮거나 구름을 형성, 태양복사에너지의 반사효과를 높임으로써 해당지역에 냉각효과를 가져올지 모른다고 밝혔다. 이에 대해 라마나탄교수는 인공위성 자료를 검토해 지구복사에너지 균형을 조사해본 결과, 아직까지는 구름의 냉각효과를 발견하지 못했다고 반박했다. 미국기상학회(AMS)의 기록을 보면 지구온난화 효과는 이산화탄소나 메탄 등에서 비롯 되지, 아황산가스와는 무관하다고 적혀 있다. 덧붙여 AMS는 아황산가스의 냉각효과로 인해 미래의 (몇몇 과학자들은 20년내에 지구 빙하기를 맞게 될 것이라고 예측하고 있다) 지구기온은 급강하하게 될지 모른다고 밝혔다.
온실효과에 의한 지구대기의 기온상승과 아황산가스의 증가에 따른 기온하강은 몇몇 지역의 기상관측망을 가동시켜 얻어낸 자료 만으로는 판단하기 어렵다. 즉 전지구적 규모의 관측방법과 시간 그리고 자료분석 방법이 동일해야 하고 오랜 시간에 걸친 관측 통계치가 필요하다.
이러한 어려움을 보강하고 보다 거시적인 분석을 위해 1960년 초부터 미국 해양기상청(N0AA)과 NASA는 지구가 받는 태양복사에너지를 계산하고 동시에 지구가 복사하는 지구복사에너지를 구해 그 차이를 산출함으로써 지구기온 변화를 조사하던 종래의 모델에서 탈피, 인공위성(기상위성)자료를 적극 활용하고 있다. 실제로 1974년 미국의 님부스 기상위성이 관련자료를 얻기 위해 발사 된 이래 인공위성올 활용한 기온변화조사가 NOAA와 NASA를 중심으로 본격적으로 이뤄지고 있다. ERBE(지구 복사에너지 측정기기)라는 특수한 인공위성 센서로 지구의 장파복사량을 측정, 태양 입사에너지량과 비교 검토했던 것이다. 그러나 ERBE센서의 불충분한 민감도와 위성의 한정된 수명으로 인해 ERBE에 의한 지구복사량 측정은 작년 12월을 기해 만료됐다. 그 대신 지금은 N0AA가 선보인 AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)를 활용, 지구온난화 현상을 계산하고 있다.
경제적 이득이 우선
한국의 경우 서울이나 부산 등 오염원이 밀집돼 있는 대도시나 공장지대의 대기상황올 주로 점검하고 있는데 이 자료만으로는 지구온난화를 조사하기 어렵다. 반면 미국 하와이의 마우나로아에 위치한 대기기체관측소에서는 인간활동이 거의 미치지 않은 최후의 지역에서 과연 얼마만큼 대기성분이 변했는가를 조사하고 있다.
지구대기 변화의 발원지를 한국과 같은 개발도상국의 책임으로 돌리려는 선진국의 책략은 지구대기 변화를 막아보자는 의도보다는 경제적 이득을 추구하기 위해 나온 계산이라는 주장도 있다. 사실 선진국의 대기성분 측정자료는 하와이의 마우나로아나 일본의 홋카이도지방 등 인간생활과 멀리 떨어진 곳에서 관측한 값들이다. 유독 우리나라만이 서울이나 부산 등 대도시 관측기록자료를 제공, 이산화탄소 사용량과 몬트리올의정서(오존층 보호를 위한 CFC 사용규제)협약 등으로 어려움을 당할 이유가 없다고 본다. 따라서 우리도 이제 제주도 등 인간영향 범위에서 다소 떨어진 대기성분 기체를 정규적으로 관측할 필요가 있다.
