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지구온난화가 자연적 변화인가? 인간 활동의 결과인가? 현재 인류가 직면한 문제 중에서 가장 심각한 위협이 지구 온난화 문제다. 지구온난화의 원인으로‘자연적인 변화’라는 설명과 ‘지나친 온실기체의 발생 때문’이란 상반된 설명이 존재한다. 과학동아 8월호, ‘태양 흑점 실종 지구온난화 영향 없나’를 바탕으로 지구온난화의 원인은 무엇인지 판단해보자.

1) 흑점 수의 변화와 대기 중 CO2농도의 그래프에서 현재와 같은 CO2배출경향이 유지될 경우 앞으로 지구의 기온이 어떻게 변할지를 예상하시오.

2) 산업혁명이후 증가한 이산화탄소 일부는 대기 중에 누적돼 대기 중 이산화탄소의 농도를 증가시켰다. 하지만 산업혁명 후, 대기권에 누적된 이산화탄소의 양은 배출된 이산화탄소 총 양보다 적다. 제시문에 주어진 그림을 바탕으로 그 이유에 대해서 설명하라.

3) 온실기체인 이산화탄소, 암모니아 및 산화질소, 메탄의 대기 중 농도가 증가하는 이유를 인간의 활동과 연관해 설명하시오.

4) 체내 양성피드백과 음성피드백의 예를 들고 지구기온과 지구기온을 변화시키는 원인 사이의 관계 중 음성피드백인 경우와 양성피드백인 경우의 예를 보이시오.

전문가 클리닉

1) 지구의 기온이 변화하는 원인이 대기 중 CO2의 농도가 변해서인지, 흑점 수의 변화 때문인지를 파악합니다. 지구 기온에 영향을 주는 요인이 변한다면, 지구 기온도 변하게 될 것입니다. 따라서 지구의 기온변화 패턴과 유사한 패턴을 선택해 지구 기온의 미래를 예측합니다.

2) 이산화탄소가 공급량에 비해 증가량이 작다면, 그 이유를 이산화탄소의 순환에서 찾을 수 있습니다. 대기 중에서 이산화탄소가 소비되는 예를 생각해봅니다. 이를 바탕으로 산업혁명 이후 변화를 판단합니다.

3) 먼저 온실기체의 종류를 파악하고 산업혁명 이후 새로 생기거나 변화된 것이 있는지 생각해 봅니다.

4) 지구의 기온상승에 영향을 끼치는 요인들을 찾습니다. 요인들이 지구의 기온에 어떻게 영향을 주는지, 지구의 기온변화가 요인들에 어떤 작용을 하는지를 파악합니다. 마지막으로 둘의 관계가 양성피드백과 음성피드백 중 어떤 과정과 유사한지를 알아냅니다.

예시답안

1) 제시문 (가)에 의하면 태양복사 에너지의 세기는 흑점의 수에 비례한다. 이를 그래프 ①에서 확인할 수 있다. 태양복사 에너지가 늘면 지구로 유입되는 에너지의 양도 늘어나므로 지구 평균기온도 증가할 것이다.

이는 그래프 ②번과 ④번의 변화 경향이 비슷한 데서 확인할 수 있다. 하지만 이런 경향은 1960년대는 유사하나 1960년대 이후는 다르다. 즉 지구의 기온은 다른 인자의 영향을 받고 있는 것이다. 그 경향은 대기 중 이산화탄소 농도 변화(그래프 ③)에서 찾을 수 있다.

1960년대 이후 이산화탄소 농도의 변화 경향과 지구 평균기온의 변화 경향이 동일하기 때문이다. 따라서 현재 이산화탄소의 배출 경향을 유지한다면 대기 중 이산화탄소의 농도는 시간에 따라 증가해 1960년대보다 높은 농도를 유지할 것이다. 따라서 지구기온은 지금보다 높아질 것이다.

2) 제시문 (다)의 그림을 보면 대기중의 이산화탄소가 식물의 광합성에 의해 생물권으로, 바다와 비에 녹아 수권으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 산업혁명 이전에는 대기 중으로 배출된 이산화탄소의 양과 대기권에서 생물권, 수권, 암권으로 이동하는 이산화탄소의 양이 균형을 이뤘다. 이런 균형 상태에서 산업 활동은 추가적인 이산화탄소를 발생시켰고, 비슷한 시기에 인간은 화석연료를 이용한 대단위 농업을 시작했다.

이러한 활동은 광합성으로 생명권에 고정되는 이산화탄소의 양을 늘렸고, 대기 중의 높은 이산화탄소 농도는 이산화탄소의 분압을 증가시켜 해양에 용해되는 이산화탄소 역시 증가했다. 따라서 산업혁명 이후 증가된 이산화탄소가 대기 중에 모두 누적되지 않은 이유는 기권이외의 영역에서 이산화탄소를 처리하는 능력이 증가했기 때문이다. 그럼에도 대기 중 이산화탄소의 농도가 증가하는 이유는 증가량이 처리능력의 증가량보다 크기 때문이다.

3) 탄소화합물 형태로 땅 속에 있던 탄소는 화석연료로 쓰인 뒤 이산화탄소의 형태로 대기에 존재한다. 20세기 초 인간이 대기 중에 있는 질소를 고정하는 방법을 개발한 후, 질소 비료는 거름을 대신하게 됐고 대단위 농업을 가능하게 했다. 농장에 뿌려진 질소 비료 중 일부는 대기의 산소와 반응해 산화질소가 됐다. 산화질소는 기권으로 이동해 대기 중 산화질소의 농도를 증가시켰다. 또한 인간은 풍부해진 농산물 덕분에 식용으로 사용 할 가축의 수를 늘렸다. 가축들 중 양과 소 같은 반추동물은 소화과정에서 메탄을 발생시킨다.

또 다른 예로 동아시아에서는 주식인 쌀의 생산을 증가시키기 위해 논을 넓혔다. 논은 습지와 같이 메탄을 발생시키기 때문에 쌀 경작지의 증가는 대기에 공급되는 메탄의 양을 늘렸다. 남미와 인도네시아에서 경작지의 증가를 위한 화전은 바이오메스에 저장돼 있는 탄소를 메탄의 형태로 대기 중으로 방출시킨다. 이 역시 대기 중 메탄의 양을 늘리는 원인이 된다.

4) 체내에서 양성피드백의 예는 출산이다. 출산 때가 되면 옥시토신의 양이 증가한다. 이는 자궁을 수축시키고 고통을 유발하는 프로스타글라딘의 양을 늘린다. 다시 옥시토신의 양이 늘고 자궁이 수축해 출산이 가능해진다. 기온의 증가는 대양으로부터 공급되는 수증기의 양을 증가시킨다.

온실기체인 수증기는 온실효과를 증대시키는데, 온실효과 때문에 기온이 상승하고, 상승된 기온은 다시 기권으로 공급되는 수증기의 양을 증가시킨다. 다른 양성 피드백의 예로 빙하를 들 수 있다. 지구 온난화로 기온이 상승하면 빙하의 면적이 감소하고, 빙하면적의 감소는 지구 표면의 태양복사 에너지의 반사율을 감소시킨다. 반사율이 감소한 지표는 태양복사 에너지를 더 많이 흡수해 결과적으로 지구의 기온이 상승한다.

인슐린이 포도당을 글리코겐으로 바꿔 혈당을 감소시키는 과정은 음성피드백이다. 체내 혈당량이 증가하면 인슐린이 분비된다. 이산화탄소의 증가는 대기 중 이산화탄소의 농도를 증가시키고, 증가된 이산화탄소의 농도는 식물의 광합성량을 증가시킨다. 광합성이 많이 일어나면, 대기 중 이산화탄소의 농도는 감소한다. 다른 음성피드백의 예는 다음과 같다. 대기 중에서 이산화탄소의 농도가 증가하면, 탄소분압이 증가하기 때문에 대양에 용해되는 이산화탄소의 양도 증가한다. 이러한 과정 때문에, 대기 중 이산화탄소의 농도가 감소한다.