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우리는 지금 어쩌면 지구가 얼어붙는 다음 빙하기의 문턱에 서 있는지 모른다. 아니면 내일부터 비교적 짧은 수백년 기간의 소빙하기가 시작되는 살얼음판 위에서 살고 있는지도 모른다.

온실 기체에 의한 대기의 온실 효과는 지상 생물체의 생존을 위한 좋은 여건을 만들어 준다. 이산화탄소나 메탄, 수증기 등이 지구로부터 빠져나가는 열을 차단해 지구는 대기가 없을 때보다 약 33℃가 높아져 현재 지구의 평균 온도인 18℃를 유지 할 수 있도록 한다.

그러나 산업혁명 이후 석탄과 석유 같은 화석연료 사용의 급격한 증가는 대기중의 이산화탄소 농도를 가중시켜 지구가 점차 더워지는 온난화현상을 일으키고 있다. 지구의 온난화는 지구의 평균온도를 상승시킨다. 이에 따라 생태계의 질서가 파괴되고, 해수면이 상승되는 등 우리의 자연 환경이 엄청난 변화를 겪게 될 것이다.

지구 온난화와 냉각화는 동전의 양면

그러나 지구의 온난화는 단지 동전의 한 면으로서 그 이면에는 지구의 온도를 10℃ 이상 떨어뜨릴 수 있는 빙하기가 존재하고 있다. 더욱이 최근 들어 이러한 빙하기는 언제라도 시작될 수 있음을 시사하는 여러 과학적 증거가 제시되고 있다.

또한 지구-대기계에는 지구의 온난화 현상을 둔화시킬 수 있는 여러 가지 냉각 요소들이 있다. 온난화 현상을 이해하고 예측하는 데는 이들 냉각 효과 역시 이해돼야 할 것이다. 이 글에서 우리는 장기적인 기후 변동사이클의 하나인 빙하기가 우리가 살아 있는 동안 언제라도 일어날수 있음과 현 세대의 단기적인 기후변동인 온난화현상에 반하는 냉각 효과가 병존함에 대해 알아보자.

지난 해 겨울 북미 대륙은 기록적인 한파가 내습해 많은 도시의 최저 기온 기록이 갱신됐다. 예를 들어 시카고에서는 전에 없던 추위로 도시 역사상 처음 휴교 사태에 이르렀으며, 북미 전역에서 1백30명 이상이 동사했다. 또한 지난 여름 남반구 저위도에 위치한 브라질에는 예상치 못한 추위가 엄습, 커피니무가 얼어 붙어 커피의 수확량이 대폭 줄고 이로 인해 커피 값의 국제적 앙등을 가져오고 있다.

도대체 지구의 온난화는 어디로 간 것일까? 과학자들은 자동차나 발전소, 또는 공장으로부터 배출되는 기체들이 21세기에는 온도 상승을 더욱 부추길 것이라고 경고하고 있다.

하지만 최근 지구촌에 나타나는 기록적인 한파를 볼 때 지구온난화 대신 오히려 빙하기를 우려해야 하는 것이 아닌가 하고 반문하게 한다. 왜냐하면 인간활동에 의해 유도된 지구의 온난화는 대기의 온실효과 증폭에 따른 기온 상승이라는 이론에 바탕을 두고 있지만, 빙하기란 지구의 역사를 통해 나타나고 반복돼왔던 사실에 그 근거를 두고 있기 때문이다.

마지막 빙하기는 1만년 여 전에 끝났으며 현재 우리는 간빙기에 살고 있다. 간빙기가 빙하기와 빙하기 사이의 온난화 기간을 지칭하고 우리가 현재 간빙기에 위치함을 생각할 때 다음번 빙하기는 지금으로부터 아마 수 천년 또는 수 십년 이내에 시작될지 모른다.

또한 알 수는 없지만 이미 빙하기가 시작됐는지도 모른다. 지구촌에 나타난 한두 번의 한파는 단순한 기상 이변이라고 간과하더라도, 만일 이러한 한파의 횟수가 점차 많아진다면 그것은 의미있는 더 큰 스케일의 어떤 징후가 존재함을 의미하기 때문이다.

빙하기는 언제라도시작될 수 있다

한때 기후학자들은 수백 수천년에 걸쳐 어느 지역의 평균온도가 8℃ 정도 서서히 떨어지면서 빙하기에 진입한다고 생각했다. 춥고 긴 겨울과 상대적으로 시원하고 짧은 여름이 수천년간 지속될 때 녹는 양보다 쌓이는 눈의 양이 많게 되고, 이어 얼음으로 변해 점차적으로 빙하가 지구의 많은 부분을 덮게 된다고 생각했다. 이렇게 쌓인 빙하는 약 10만년 후 점차 퇴각해 향후 약 1만년 동안 간빙기에 위치하다가 다시 빙하가 저위도로 확장된다고 과학자들은 주장했다.

그러나 최근 대서양의 해저 퇴적물과 그린란드 빙하의 화학적 분석을 통해 얻어진 결과는 과거의 기후변화가 여러 사람이 믿었던 것처럼 완만한 곡선을 긋는 연속적인 현상이 아님을 확인시켜 주고 있다. 곧 온난한 기후로부터 빙하가 확장되는 한냉한 기후로의 변동이 지질학적 시간에서 볼 때 순간에 지나지 않는 10-20년 동안에 걸쳐 일어날 수도 있음을 관측 결과는 보여주고 있다.

또 하나의 새로운 발견은 빙하기 동안 내내 추운 기간이 계속되고 간빙기 동안 줄곧 온난한 것이 아니었다는 것이다. 예를 들어 4만년 전 마지막 빙하기가 계속되고 있을 때 지구는 잠시 따뜻해졌으며 이로 인해 빙하는 퇴각했다.

(그림 1)에서 보는 것처럼 현재의 간빙기 동안 온난한 지구의 온도가 오랫동안 계속되고 있다. 그러나 지난 마지막 간빙기 때에는 온난했던 기후가 반전돼 수 백년 동안 한냉한 기후가 계속된 기간이 여러 차례 존재했다.

빙하기의 발생 원인을 설명하려는 노력이 지난세기동안 계속돼 왔다. 몇 가지의 이론이 제시됐는데, 그 중 하나는 1930년대 유고슬라비아의 천문학자 밀란코비치에 의해 제안된 이론이다.

그는 빙하기가 태양 주위를 돌고 있는 지구의 공전 궤도면 상에서 지구의 상대적 위치와 지구 자전축의 변화에 의해 시작된다고 주장했다. 퇴적 당시의 기후조건을 포함하는 해양 퇴적물의 화학 성분 조사에 관한 연구들은 밀란코비치 이론에 의한 빙하기의 주기를 어느 정도 지지하고 있다.

그러나 관측 자료의 결과는 천문학적 이론에 의해 예측되는 점차적인 기온의 변화 대신 오히려 그 진행이 매우 급격한 기후의 변이를 보여주고 있다. 예를 들어 마지막 빙하기는 갑작스러운 온도의 반전과 더불어 약 1만3천년 전에 퇴각했다가 다시 온도가 낮아져 이후 1천년간 계속되는 소빙하기가 존재했다. (그림1)에 보여진 이 짧은 기간은 Younger Dryas라 한다. 왜 이렇게 지구의 온도가 갑작스러운 변이를 하는지 그 요인을 알 수 없지만 과학자들은 우리가 서 있는 이 시점이 매우 미묘하다고 주장한다.

지질학적 기간을 통해 나타난 갑작스러운 온도의 변이가 지난 1만년 동안 없었다. 이로 미루어 우리는 지금 어쩌면 지구가 얼어붙는 다음 빙하기의 문턱에 서 있는지 모른다. 아니면 내일부터 비교적 짧은 수 백년 기간의 소빙하기가 시작되는 살얼음판 위에서 살고 있는지도 모른다.
 

온난화를 유발하는 온실효과에 반하는 요소들
 

구름의 냉각 작용

대기의 순환과정을 통해 발생한 구름은 복사 과정을 통해 지구에 입사하는 태양 에너지를 반사시켜 우주공간으로 내보내 지구-대기계에 유용한 에너지를 감소시킨다. 한편 지구의 표면이나 하층 대기로부터 방출된 지구의 적외선 복사는 구름에 의해 차단돼 지구-대기계에 적외선 복사를 가두는 역할을 하고 있다.

전자를 '구름의 알베도(albedo) 효과' 후자를 '구름의 온실효과'라 일컫는다. 서로 상반된 이 두가지의 경쟁적인 과정을 통해 구름의 존재가 복사 가열 또는 냉각을 유발하며, 이들은 대기의 열적 구조를 변화시켜 대기 순환, 기후 변화 등을 일으킬 수 있다(사진 1).

구름이 복사 과정을 통해 지구 에너지 수지에 영향을 주는 효과를 구름 복사 강제력(cloud radiative forcing)이라 한다. 이는 구름이 존재하는 경우의 복사량과 구름이 없는 맑은 하늘의 복사량의 차이를 구함으로써 얻어진다. 대기 상부에서의 구름 낀 하늘과 맑은 하늘에서의 이들 복사량은 인공위성의 복사 관측자료로부터 얻어지고 있다.

(그림 2)는 인공위성 관측을 통한 지구복사수지 실험(Earth Radiation Budget Experiment:ERBE)으로부터 얻어진 구름 복사 강제력이다. 이 실험의 결과는 대기중에 구름이 존재함으로써 지구는 태양복사의 입사량을 연평균 48${Wm}^{-2}$ 만큼 더 반사시키고 우주공간으로의 장파복사 손실을 31${Wm}^{-2}$ 만큼 막아 결과적으로 17${Wm}^{-2}$의 에너지를 잃어, 지구가 구름으로 인해 냉각되고 있음을 보여주고 있다.

이산화탄소 농도가 산업혁명 이전 농도의 2배로 증가(600ppm)했을 때 나타나는 온실 효과는 약 4W${m}^{-2}$이다. 이것은 구름 복사 강제력(17W${m}^{-2}$)의 약 1/4에 해당한다. 이는 이산화탄소 농도의 증가에 의한 지구의 온난화가 구름의 변화에 의해 크게 영향받을 수 있음을 의미한다. 즉 구름 복사 강제력은 주로 구름의 양에 비례하는데, 이산화탄소의 증가에 따라 구름의 양이 증가한다면 구름에 의한 냉각효과가 현재보다 커지게 돼 이산화 탄소에 의한 온난화는 둔화될 것이다.

이의 반대 경우도 물론 가능하다. 이산화탄소 증가에 따른 구름의 변화와 그 역할은 현재 지구 기후변화 연구에서 뜨거운 논쟁거리이며 많은 연구가 진행되고 있다.

대기중의 에어로졸

특별한 장비 없이 우리 눈으로 볼 수 있는 대기 중의 가장 작은 기상학적 부유물 중 하나는 아마 빗방울이나 눈의 결정일 것이다. 구름이나 눈의 결정이 만들어지기 위해서는 더 미세한 물질이 필요한데, 이러한 수 ㎛(${10}^{-6}$m) 크기의 부유물을 에어로졸이라 부른다.

대기는 여러 가지 먼지나 연소 후의 탄화물, 소금 입자, 꽃가루 등 다양한 자연적 또는 인공적 에어로졸을 가지고 있다. 에어로졸은 태양 빛을 산란시켜 지구의 반사도를 증가, 냉각 효과를 가져온다고 믿어진다. 대륙에서 발생한 먼지나 소금 등 자연적 에어로졸은 그 양과 분포가 수세기를 두고 거의 일정해 기후 변동의 원인은 되지 않은 것이라 생각하고 있다.

그러나 인간에 의해 생성된 에어로졸은 산업활동과 더불어 크게 증가하고 있으며 특히 1950년 이후에는 그 증가율이 (그림 3)에서처럼 더욱 커지고 있다. 모든 인위적인 에어로졸중 기후학자들이 주시하고 있는 것은 황산염인데, 이는 최근 황산염의 생성기작, 황의 방출량 등을 잘 알 수 있게 됐기 때문이다.

황산염 에어로졸이 지구 에너지계에 미치는 영향은 크게 두 가지다. 직접적인 태양 복사의 산란 증가와 구름 생성을 통한 지구 알베도 증가가 그것이다. 이 두 효과로부터 영향받는 지구에너지 수지의 크기는 대기의 온실효과와 비교해 그 크기를 짐작할 수 있다.

현재 인간의 활동에 의한 대기중 이산화탄소 농도의 증가에 의해 지구는 1${m}^{2}$당 1.5W의 열을 더 받고 있다(메탄이나 산화질소 등의 온실 기체를 고려하면 그 크기는 2.5W${m}^{2}$ 정도다). 한 연구 결과는 황산염 에어로졸의 직접 효과에 의해서만 북반구 평균 1.1W${m}^{2}$의 에너지 손실을 보여주고 있다.

여기에 구름을 통한 반사도 증가가 간접 효과로서 더해진다면 황산염 에어로졸에 의한 냉각효과는 더욱 커지리라 예상되고 있다. 이러한 황산염 에어로졸의 냉각효과는 온실효과를 반감시키고 있음이 분명하다.

화산활동

화산활동이 지구 기후를 변화시킬 수 있다는 가능성에 대해서는 지난 2세기 이상 동안 논의돼 왔다. 그러나 20년 전까지만 해도 화산 폭발로부터 만들어져서 성층권에 오래 체류하는 구름은 재나 먼지로 구성돼 있을 것이라고 잘못 생각했다. 1970년대에야 비로소 성층권 구름은 ${H}_{2}$S${O}_{4}$의 작은 입자로 구성돼 있음이 밝혀져 화산과 기후변화를 연결할 때 황에 의한 영향을 고려하게 됐다.

화산계에서 황의 역할은 매우 복잡하다. 황은 온도, 압력, 마그마의 산화 상태 등에 따라 환원된 황화물(sulfide)과 산화된 황산염(sulfate)으로 모두 존재할 수 있다. 마그마에 기원을 둔 ${H}_{2}$S나 ${SO}_{2}$는 화산 폭발시 성층권으로 올라가 장시간 체류하면서 황산염에어로졸로 바뀌어 태양 복사를 산란시키므로 지구의 온도를 낮출 수 있다.

1982년 멕시코의 엘 치촌(EL Chichon) 화산폭발로 지표는 0.3℃ 가량 냉각됐다고 추정되는데, 이 크기는 세계 도처에 이상 기후를 유발시켜 유명한 82-83년의 엘리뇨 영향을 감소시킬 수 있을 정도였다. 또한 1991년 6월과 7월 두 차례 격렬한 화산활동을 보인 필리핀 루손섬의 피나투보(Pinatubo) 화산은 거대한 양의 에어로졸을 성층권에 유입시켜 지표면을 지역에 따라 0.5℃까지 냉각시켰다. 그러나 화산활동에 의한 에어로졸은 2-3년의 짧은기간 동안 대기중에 머무르기 때문에 그 영향은 짧다(사진2).
 

지구온난화, 냉각화 요인 고려 후 주장해야

많은 과학자들은 대기중의 이산화탄소 농도의 계속적인 증가와 대기의 온실효과를 통해 지구의 온난화를 유발할 것이라고 예측하고 있다. 예를 들어 기후변화에 관한 정부 사이의 패널(IPCC)에서 기후학자들은 21세기 중반 지표 온도 상승이 1.5-4.5℃에 달하리라 예측하고 있다.

그러나 지구 역사를 통한 온도의 기록은 빙하지역이 확장되고 지구 온도가 곤두박질치는 빙하기가 우리 세대 어느 때라도 시작될 수 있음을 암시하고 있다. 빙하기를 향하는 온도의 하강은 지금까지 알려진 점이적인 진행이 아니라 급격한 것이었기 때문이다.

또한 온실 기체 증가에 의한 단기적인 지구 온난화에 반하는 냉각화 현상 또는 요인이 지구 기후계에는 혼재돼 있다. 여러 기후인자들의 변화, 이들 상호간의 작용, 그리고 이들간의 피드백 현상들의 이해 없이 기후를 예측하는 것은 매우 어려운 일이다. 현재 지구온난화의 여부에 대한 학계의 논쟁이 계속되고 있다. 이러한 냉각화 요인의 완전한 이해와 이의 고려없이 지구 온난화의 정도를 단정적으로 주장하는 것은 조심해야 할 일이다.