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극지는 기후를 보는 바로미터다. 극지에 쌓인 기후자료를 복원해 과거에 기후가 어떻게 변했는지 파악하고, 현재 기후변화가 얼마나 빠르게 진행되는지 정량화함으로써, 미래 기후의 변화를 가장 잘 예측할 수 있다.
눈과 얼음이 사라지다
“극지는 전 지구에서 기후변화에 가장 민감한 지역입니다. 눈과 얼음으로 뒤덮여 있기 때문입니다.“
김성중 극지기후과학연구부 책임연구원은 기후변화를 연구하기 위해 극지에 주목하는 이유를 이같이 설명했다. 극한 지역인 극지가 눈과 얼음으로 뒤덮인 것이 대수냐는 반문이 튀어나왔다. 김 책임연구원은 “태양에너지를 흡수하는 차이가 중요하다”고 설명했다.
갓 내린 흰 눈은 태양빛을 85% 반사한다. 불순물이 내려앉은 눈도 반사율이 70%에 달한다. 그러나 지구온난화 같은 외적인 요인에 의해 눈이나 얼음이 푸른색을 띠는 물로 변하면 반사율이 약 10%로 급감한다. 태양에서 오는 에너지의 90%를 흡수한다는 뜻이다.
더 큰 문제는 이런 현상이 ‘양의 되먹임’을 일으킨다는 점이다. 더 많이 흡수된 태양에너지는 주변 공기와 바닷물의 온도를 상승시킨다. 이 때문에 주변 얼음이나 눈이 평소보다 더 녹는다. 결과적으로 태양빛을 흡수하는 양도 더 늘어난다. 이것을 ‘얼음-알베도-기온의 양의 되먹임 작용’이라고 부른다.
게다가 대부분 바다로 이뤄진 북극은 수온이 올라가면 해양에서 대기로 많은 양의 수증기가 방출된다. 수증기는 이산화탄소와 같은 온실가스로 작용한다. 지구 복사를 흡수하며 북극의 온도를 높인다. 북극이 남극에 비해 더 빠르게 온난화가 일어나는 이유 중 하나다.
“이런 변화는 당장 우리 삶에 영향을 미칩니다. 북반구 중위도에 극심한 한파가 자주 발생하는 원인도 북극 해빙에서 찾을 수 있습니다.”
강성호 극지해양과학연구부장은 해빙을 ‘냉장고 문’에 비유했다. 문이 닫혀 있을 때는 냉기가 잘 보존되지만 열려 있을 때는 외부와 열 교환이 일어난다. 즉 해빙이 덮여 있지 않으면 열기와 수증기가 바다에서 빠져나가고, 이는 북극과 중위도를 연결하는 ‘극 소용돌이(polar vortex)’를 약화시킨다. 극지의 찬 공기가 쉽게 남하할 수 있는 조건이 되는 셈이다.
그런데 최근 북극의 해빙 면적은 10년마다 약 4.1%씩 급격히 줄고 있다. 1990년대까지만 해도 북반구 겨울철(3월 초) 해빙 면적이 약 1500만 km2까지 늘어나다가 여름철(9월 초) 700만 km2까지 감소했다. 그런데 2000년 이후부터 해빙 분포가 급격히 줄기 시작해 2012년 9월 초에는 약 350만km2 정도로 줄었다.
북극의 해빙이 감소하면서 기후변화는 더 격해졌다. 원래 단기적이었던 현상들이 지속적인 한파, 혹서, 폭염, 가뭄, 홍수로 변하고 있다. 강 부장은 “북극해에서 진행 중인 환경변화는 사람들의 온실가스 배출 감소 노력과 상관없이 이번 세기 중반까지 가속화될 것”이라며 “기후변화의 영향이 향후 30~40년 동안은 더 강해질 것”이라고 전망했다.
빙붕이 무너지다
극지의 얼음은 중위도의 해수면에도 직접적인 영향을 미친다. 육상 빙하(빙상)가 바다로 흘러내리는 것을 막는 빙붕(육상 경계면부터 넓고 길게 바다 위에 떠 있는 두꺼운 얼음. 보통 두께가 200~900m에 이른다)이 녹거나 붕괴하면 육상 빙하가 바다에 빠지면서 해수면이 상승하기 때문이다.
지구 담수의 약 99%는 얼음의 형태로 북극 그린란드와 남극대륙에 존재하고 있다. 그린란드와 남극의 빙상이 모두 녹으면 해수면이 각각 7m, 60m씩 상승할 것으로 예상된다. 2100년에는 전지구 평균 해수면이 지금보다 2m 상승할 것이라는 예측도 나온다.
“관건은 빙붕과 빙상이 얼마나 불안정한지, 그리고 얼마나 빠르게 녹을지 정확히 예측하는 것입니다.”
이원상 해수면변동예측사업단장은 “극지의 빙권 거동을 이해하는 것이 해수면 상승을 예측하고 대응하는 데 가장 중요한 요소”라고 강조했다.
이 단장이 이끄는 연구팀은 2014년부터 추진하고 있는 ‘남극장보고과학기지 주변 빙권 변화 진단, 원인 규명 및 예측’ 연구를 통해 빙붕에 구멍을 뚫고 얼음 아래 바다의 수온과 유속, 염도를 측정하고 있다. 또 얼음 위에 두께를 정밀하게 측정할 수 있는 레이더 장비를 설치해 빙붕의 변화를 관측하고 있다.
쇄빙선 아라온호를 활용해 빙붕 주변 바다 환경 변화도 지속적으로 살피고 있다. 특히 무인 잠수정으로 빙붕 아래가 얼마나 녹고 있는지 직접 측정했다. 그밖에도 육상 빙하 위에 위성위치확인시스템(GPS) 수신기를 설치해 빙하가 어느 정도의 속도로 바다를 향해 흘러 내려가는지 추적하고, 빙하가 흘러가며 지면을 긁는 소리 등을 지진계로 분석해 빙하가 움직이는 원인을 분석했다.
그 결과 학계의 통념을 깬 의미 있는 성과가 나왔다. 그동안 학계에서는 기온이 상승하면 빙붕 표면의 얼음이 녹으면서 물웅덩이(melt ponds)가 형성돼 빙붕의 붕괴가 촉진된다고 여겼다. 푸른빛을 띠는 물웅덩이가 태양에너지를 더 많이 흡수해 웅덩이가 점점 더 커지고, 이것이 빙붕에 구멍을 뚫어 붕괴를 심화시킨다는 것이다.
그러나 극지연구소와 미국 컬럼비아대, 미국항공우주국(NASA) 등 공동연구팀이 남극장보고과학기지 인근 ‘난센(Nansen) 빙붕’을 관찰한 결과, 비탈진 형태의 빙붕에서는 이 같은 가설이 들어맞지 않았다. 물웅덩이가 형성돼도 곧 빙붕 표면에 생기는 물줄기를 통해 흘러내려 빙붕 붕괴가 촉진되지 않았다.
이 단장은 “해수면 상승이 예상보다 느리게 진행할 수 있다는 뜻”이라며 “연구결과를 남극의 다른 빙붕으로 확대해 해수면 변동을 더 정확하게 예측할 계획”이라고 설명했다. 연구결과는 ‘네이처’ 2017년 4월 20일자에 실렸다.
이 단장이 이끄는 연구팀은 최근 남극에서 가장 빠르게 녹고 있는 서남극 스웨이트(Thwaites) 빙하의 거동을 예의주시하고 있다. 따뜻한 남극 순환 심층수(Circumpolar Deep Water)가 서남극 지반선(육상과 바다의 경계)까지 침투해 서남극의 빙붕 두께가 20년 전에 비해 약 7% 정도 급격히 감소했기 때문이다. 남극 순환 심층수는 그 온도가 해수의 어는점(영하 1.9도)보다 약 3.5도가량 높아 얼음 하부를 녹이는 데 크게 기여한다. 만일 이산화탄소 방출량이 현재와 비슷한 수준으로 유지된다면 2100년에는 이 지역 빙상이 붕괴하는 것만으로 해수면이 1m 가량 상승할 수 있다. 이 단장은 “다학제 연구를 통해 미래 해수면 변동 예측 연구의 정확도를 향상시켜야 한다”고 강조했다.
빙벽이 후 퇴하다
빙하의 위치도 현재 일어나고 있는 기후변화를 정량화 할 수 있는 주요한 지표다. 김현철 북극해빙예측사업단장은 “인공위성 관측 결과 남극세종과학기지 앞 마리안 소만에 위치한 빙벽이 해마다 후퇴하고 있다”고 설명했다.
마리안 소만에는 길이가 약 2.8km, 폭이 약 1.2km인 조수빙하(빙하의 끝이 바다와 맞닿아 있는 해안빙하)가 있다. 이것은 관측 기록이 존재하는 1956년 이후 60년이 넘도록 지속적으로 후퇴하고 있다. 2017년까지 2km나 후퇴했다.
엄청난 변화이지만 육안으로 확인하기는 어렵다. 특정 지점을 정해두고 10년, 20년 장기적으로 관측해야 알 수 있기 때문이다. 김 단장은 “인공위성을 활용한 해빙과 빙권의 원격 연구가 갈수록 중요해지고 있다”며 “인공위성 원격탐사는 과거 유럽과 미국 등에서 주도했는데, 이제는 한국도 지구관측 위성인 다목적실용위성(아리랑)으로 인공위성 원격탐사를 하고있다”고 말했다.
실제로 극지연구소 연구팀은 광학위성인 ‘아리랑 2호’ ‘아리랑 3호’를 이용해 마리안 소만의 빙벽 후퇴를 현재까지 지속적으로 관찰하고 있다. 또 아리랑 2호, 3호로 남극세종과학기지가 위치한 바톤반도의 식생분포를 정밀하게 관측해 세계 최초로 식생 분포도를 작성했다. ‘아리랑 5호’ 영상레이더를 기반으로 서남극해의 해빙을 정밀하게 탐지할 수 있는 알고리즘도 개발했다.
김 단장은 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)이 운영하는 광역관측 인공위성을 활용해 남극해를 순환하는 ‘남극순환류(ACC·Antarctic Circumpolar Current)’의 패턴 변화도 종합적으로 연구할 수 있다고 덧붙였다. 남극순환류는 남극대륙 주변을 시계방향으로 흐르는, 지구상에서 가장 거대한 해류다. 대서양, 태평양, 인도양과 모두 접해 있어 남극과 각 대양간의 열과 해수 교환이 이뤄진다. 남극순환류의 위치와 수송량 변동은 기후변화에 큰 영향을 미친다. 김 단장은 “해류는 지구 온도에 가장 큰 영향을 주는 요소”라며 “남극의 얼음 양은 남극순환류의 세기에 변화를 가져오는 중요한 인자”라고 설명했다.
생태계 먹이 사슬이 바뀌다
기후변화가 생물에 미치는 영향을 보기 위해서는 극지의 생태계를 연구하는 것이 가장 좋다. 현재 남극의 해양 생태계는 기후변화로 급변하고 있다. 특히 남극세종과학기지가 위치한 킹조지섬은 남극반도 해역에서도 기후변화가 가장 빠르다.
강성호 극지해양과학연구부장이 이끄는 연구팀은 1996년부터 미세조류의 종 조성과 생물량을 모니터링해 기후변화에 따른 해양 생태계 변화를 추적하고 있다. 그는 “고온의 해류가 남극으로 확산되고 남극해 해수에 녹아있는 이산화탄소 농도가 증가하면서 1차 생산자인 저온 서식 미세조류(식물플랑크톤)의 생산력과 우점종이 변하고 있다”고 말했다.
식물플랑크톤의 생물량은 매년 수온이 상승하는 남극의 늦은 봄부터 여름까지 증가하고, 수온이 낮아지는 겨울철에는 감소한다. 연구팀은 이러한 식물플랑크톤의 종 조성이 서식지의 환경 변화에 따라 바뀐다는 사실을 알아냈다. 저온에서 서식하는 종들이 사라지고 상대적으로 따뜻한 물에 서식하는 종이 늘어난 것이다.
식물플랑크톤의 조성이 바뀌면 크릴의 먹이가 바뀌고, 먹이사슬에 따라 펭귄 같은 큰 생물에 까지 영향을 준다. 김정훈 극지생명과학연구부 책임연구원이 이끄는 연구팀은 2017년 6월부터 5년 간 남극장보고과학기지 인근 로스해에서 생태계에 영향을 미치는 환경 요인을 파악하기 위해 펭귄이 먹이를 구하는 곳의 식물 플랑크톤 및 해수의 온도 분포 변화를 분석하고 있다.
북극에서는 토양이나 암석의 역할을 확인하는 연구가 진행되고 있다. 이유경 극지생명과학연구부 책임연구원이 이끄는 연구팀은 북극 중앙로벤 빙하에서 생태계의 변화를 연구한다. 북극다산과학기지로부터 1시간 거리에 있는 중앙로벤 빙하는 1920년 이후 매년 12m씩 꾸준히 후퇴하고 있다.
이렇게 빙하가 녹으면서 새롭게 드러나는 토양은 주변에서 이입되는 모든 생물이 새롭게 정착할 수 있는 공간이 된다. 빙하의 후퇴 시기와 지형이 육상 생태계에 어떤 변화를 가져오는지 연구하기에 최적인 셈이다.
현재까지 연구에 따르면 빙하 후퇴 지역의 생태계는 단순히 빙하가 사라진 시간에만 영향을 받는 것이 아니라 눈이나 빙하가 흘러내린 물줄기, 주변 생물, 미세한 지형 등 다양한 환경 요인에 영향을 받는다.
과거 기후를 추적하다
극지 해저에 잘 보존된 퇴적층에서 과거의 기후와 환경 변화 기록을 복원하는 일도 기후변화 연구에서 하나의 큰 축을 이루고 있다. 대표적인 연구가 퇴적물 코어에서 북극해 기후변화의 기록을 읽는 것이다.
북극해 해저에 쌓인 퇴적물에는 북극해가 생성된 이후 수천만 년의 기록이 차곡차곡 책갈피처럼 쌓여 있다. 육상에서 기원한 크고 작은 자갈과 모래나, 해양에서 기원한 식물성 및 동물성 플랑크톤 잔해가 바로 그것이다.
이들을 분석하면 과거 북극해 주변 대륙 빙하가 어떤 위치에 어떤 규모로 존재했는지, 해빙으로 얼마나 덮여 있었는지 또는 녹았는지 알 수 있다.
남승일 극지고환경연구부 책임연구원은 “자갈이나 모래는 빙하가 확장하거나 후퇴하는 시기에 주로 빙산에 의해 운반돼 해저에 퇴적된다. 반면 빙하가 내륙으로 후퇴하고 해빙이 현재와 같이 많이 녹는 따뜻한 간빙기에는 표층에 살던 식물성, 동물성 플랑크톤 등 해양 기원의 유기물이 주로 퇴적층에 쌓인다”고 설명했다.
연구팀은 서북극해에서 2010~2015년 여섯 차례에 걸쳐 아라온호로 탐사를 진행해 해저 지형 및 천부해저지층 탐사 자료를 획득하고 퇴적물 코어를 다량 시추했다.
특히 2015년 여름 제6차 아라온 서북극해 탐사에서는 척치 해와 동시베리아 해역에서 처음으로 14m 길이의 퇴적물 코어를 획득했다. 코어에는 약 50만 년 전인 제4기 중기 이후 빙하의 역사와 빙하기와 간빙기가 반복되면서 북극해에서 일어났던 기후환경변화 기록이 잘 보존돼 있었다.
남 책임연구원은 “퇴적물에서 분석한 과거의 기록들은 현재 진행 중인 급격한 지구온난화에 의해 앞으로 진행될 북극해의 기후환경변화를 이해하고 예측하는 데 중요한 자료”라고 강조했다. 이는 현재와 같이 온난했던 간빙기에 북극해 해빙이 어느 정도 녹았는지, 빙하기에 대부분 해역이 결빙됐던 표층수에서 얼마나 많은 생물이 생산 활동을 했는지 간접적으로 알 수 있다는 뜻이다.
연구팀은 현재 서북극해뿐만 아니라 기후변화에 가장 민감하며 우리나라 북극다산과학기지가 위치한 북극 스발바드 군도에서 과거 기후환경변화를 복원하고 있다. 요즘처럼 따뜻한 기후가 안정됐던 약 1만1700년 전(홀로세) 이후 피오르드에서 조수빙하 후퇴에 의한 기후환경변화가 어떻게 일어나고 있는지 노르웨이 트롬소대와 공동으로 연구하고 있다.
서남극 온난화가 빨라지다
빙하나 해양 퇴적물 같은 자료로 과거를 복원하고, 복원된 자료를 검증하는 데 수치모델은 없어서는 안 될 존재다. 가령 빙하 거동 모델링 연구는 빙하 거동의 원인이 하부의 지형과 지역적인 기후변화 외에도 겨울철에 내리는 강설에 큰 영향을 받는다는 새로운 사실을 알게 해줬다.
이런 수치모델은 과거의 자료를 바탕으로 미래를 예측하는 데에도 쓰인다. 김성중 극지기후과학연구부 책임연구원은 “수치모델을 이용해 동남극과 서남극의 기후변화 차이를 연구할 계획”이라고 밝혔다.
남극의 기후변화는 서쪽과 동쪽에서 판이한 양상을 보이고 있다. 서남극은 빠른 온난화로 육상 빙하와 해빙이 급격히 감소하고 빙붕이 붕괴되는 반면, 동남극의 변화는 미미한 수준이다. 오히려 빙하와 해빙이 소폭 증가하는 등 약간의 냉각화가 나타나는 경향도 있다. 왜 이런 현상이 나타나는지, 이 현상이 언제까지 지속될지가 현재 전 세계 극지 연구자들의 초미의 관심사다.
일각에서는 이를 오존 농도 감소와 연결 지어 설명한다. 오존농도가 감소하면서 남극 진동을 강화시켜 남극대륙을 감싸고 도는 서풍 제트기류가 더 세지고, 그로 인해 저위도로부터의 열전달이 약화돼 서남극과 동남극에 각각 다른 추세가 나타난다는 연구 결과가 있다.
김 책임연구원은 “서남극에 있는 남극세종과학기지에서 관측한 자료와 동남극의 시작 지점에 있는 남극장보고과학기지에서 관측한 자료를 복합적으로 활용해 이를 모델링할 계획”이라고 말했다.
연구자들은 관측 자료를 바탕으로 수치모델을 점점 정교하게 만들고 있다. 가령 극지는 우리가 살고 있는 중위도와 달리 지면이 대기보다 차가운 날이 많다. 지면 근처의 대기 구조가 중위도와는 다른 모습을 보여 모델링이 불확실하다. 이때 관측 자료를 넣어 수치모델의 검보정 작업을 수행한다. 기온뿐 아니라 해수면 변동, 해빙의 분포 변화 등 다양한 수치모델이 활용되고 있다.
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Part 2. 고층대기부터 유전체 발굴까지 극지 연구의 현재
