(특별연재) 지구온난화 Global Warming(2)
기후변동의 원인 - ‘온실효과’와 ‘밀란코비치 효과
지구의 기후는 왜 빙하기와 간빙기를 오가면서 변동하는 것일까? 이번 글에서는, 그 두 가지 원인인 ‘온실효과’와 ‘밀란코비치 효과’에 대하여 서술할 것이다.
온실효과의 창안자 푸리에
‘온실효과’라는 개념을 창안한 사람은 프랑스의 저명한 수학자 푸리에(Jean Baptiste Joseph Fourier)이다. 푸리에는 19C초 “지구의 기온을 결정하는 요인은 무엇인가? 지구는 태양으로부터 끊임없이 빛 에너지를 전달받고 있음에도 불구하고 왜 일정한 온도 이상 더 오르지 않을까?”라는 문제를 붙들고 고민하였다. 그 답은 복사(輻射)에 있었다. 즉, 지구는 태양으로부터 빛 에너지를 받는 만큼 이를 다시 우주로 내뿜고 평균기온을 유지하고 있는 것이다.
그는 대기가 온실의 유리처럼 작용한다고 상상했다. 온실의 유리는 햇빛을 받을 때는 아무런 간섭을 하지 않고 온실 내부로 투과시키지만, 태양광이 온실 바닥에 닿으면서 만들어 낸 열은 달아나지 못하도록 잡아 가둔다. 유리나 비닐의 투과성은 복사의 파장에 의존하는데, 유리는 가시광선을 투과시키지만 적외선을 투과시키지 못한다. 온실 내부가 가령 30도라 하면, 이 역시 복사에너지를 방출하는데, 위와 같은 온도의 물체의 복사파는 파장이 매우 긴 적외선이므로, 유리나 투명 비닐을 통과하지 못한 채 온실 내부에서 반사되면서 머물게 되고, 온실 내부의 공기를 덥히는 것이다.
이러한 일이 지구대기권에서 발생하고 있다. 지구 대기는 단파장으로 대기에 도달한 태양 복사를 통과시킨다. 지표면이 태양복사를 흡수하고, 지구 복사를 방출한다. 그런데, 지구표면의 온도는 불과 15도이기 때문에, 지구 복사의 파장은 매우 긴 적외선이다. 수증기나 이산화탄소 같은 온실가스는 장파장의 지구복사를 투과시키지 못하고 흡수하고 있다가 지표면으로 다시 방출하는 것이다. 만일에 온실가스가 없다면, 지구 복사에 의하여 에너지가 대기권을 거쳐 우주로 날아가고, 지구의 기온은 영하 15도로 떨어질 것이다. 푸리에는 이를 ‘온실효과’라고 불렀다.
선구자 아레니우스
푸리에의 탁월한 통찰은 그후 아무런 발전을 이루지 못하다가 스웨덴의 화학자인 스반테 아레니우스(Svante August Arrhenius, 1859~1927, 1903년 노벨 화학상 수상)가 획기적인 진전을 이루어냈다.
아레니우스는 30대 중반 결혼생활에 실패하여 처와 이혼하면서 어린 아들의 양육권도 빼앗겼다. 그는 우울한 나날을 보내던 중 1895년 동료인 회그봄의 제안을 받아들여 “대기 중 이산화탄소의 농도가 2배 상승한다면 기온은 얼마나 오를까?”라는 계산에 몰두하였다. 지질학자 회그봄이 위와 같은 계산을 제안한 이유는, 당대 지질학계의 최대의 화두인 빙하시대의 원인을 파악하기 위함이었다.
아레니우스는 이혼의 괴로움에서 벗어나고자 매일 열시간이 넘게 계산에 매달렸고, 1년간 어마어마한 계산을 수행한 끝에 “이산화탄소의 수준이 두 배가 되면 기온이 섭씨 5~6도 상승할 것”이라고 결론을 내렸다. 그는 또한 “대기 중 이산화탄소의 양을 절반으로 줄이면 지구가 섭씨 5도 정도 차가워질 것”이라고 발표하였다. 그 업적은 놀라운 것이다. 100년이 지난 오늘날에도, 기후과학자들은 아레니우스와 같은 결론을 내리고 있다. 이산화탄소 농도가 산업혁명 이전인 280ppm으로부터 560ppm으로 증가한다면 대기의 온도가 6도까지 오를 수 있다는 것이다. 이를 ‘기후민감도’라고 부른다.
밀란코비치 주기
밀란코비치는 토목기사로 일을 하다가 1차 세계대전이 발발하자 헝가리 학술원의 도서관에서 일을 하게 되었다. 그는 당시 당대 과학계의 최대 이슈인 빙하시대의 원인에 대해 고민하고 있었는데, 학술원에서 근무하게 된 덕분에 그 문제에 집중할 수 있었다. 마침내 1941년 ‘빙하시대 문제의 일사(日射) 일반원칙’이라는 대작을 완성하였는데, 이는 기후 연구 사상 최고의 업적 중 하나로 꼽힌다.
밀란코비치는 지구의 기후에 변화를 일으키는 주된 주기 세 가지를 밝혔다.
첫째, 지구의 공전궤도는 타원인데, 10만년을 주기로 이심률이 변한다. ‘이심률’이란 ‘타원이 찌그러진 정도’를 나타내는 수치이다. 지구의 궤도가 심하게 타원형이 되면, 지구가 태양과 더 가까워지거나 멀어지므로, 지구에 도달하는 태양광의 강도가 한 해 동안 달라진다. 심할 때는 20~30%의 차이가 난다. 이는 지구에 도달하는 태양에너지의 양을 바꾸는 유일한 주기이므로 영향력이 상당하다.
둘째, 지구의 자전축은 공전궤도 면에 수직이 아니라 기울어져 있고, 4만 1천년에 걸쳐서 약22도와 24.5도 사이를 이동한다. 현재는 23.4도이다. 자전축의 기울기가 변함에 따라 태양광 복사열이 도달하는 지구의 위치에도 변화가 생긴다.
셋째, 2만 2천년 주기의 세차운동. 자전축은 북극점과 남극점을 잇는 선으로서, 기울어진 자전축의 방향은 지구가 공전궤도상의 어디에서든 우주공간의 한 곳, 북극성을 향한다. 그런데, 자전축은 넘어지기 직전의 팽이처럼 빙글빙글 돌며 흔들리고 있어서, 자전축이 가리키는 우주공간의 방향도 조금씩 변한다. 1만 1천년 전의 북극성은 거문고자리의 직녀성이었는데, 현재는 작은곰자리의 알파별이다. 1년 중 태양에 가장 가까이 가는 시기가 변하는 결과, 궤도에서 계절의 위치 및 기간의 변화가 일사량의 위도 및 계절적 분포를 강하게 조절하게 된다.
밀란코비치는 이 주기를 토대로 과거 60만년에 걸친 북반구 고위도 지역의 여름 일사량 변화를 계산하였고, 지구 공전궤도와 자전축 변동에 따른 일사량 변화로 과거에 주기적으로 빙하시대가 도래하였다는 이론을 확립하였다.
그로부터 20년 후, 미국의 존 임브리 교수는 지난 50만년 동안 남인도양 해저 코어에 기록된 산소동위원소비와 미고생물 기록을 복원하여 주기해석을 한 결과, 10만 6000년, 4만 3000년, 2만 4000년, 1만 9000년이라는 밀란코비치 효과에서 발견한 모든 주기를 찾아냈다. 그리하여 수만 년 규모의 기후변화를 일으키는 근본원인이 무엇인지 드디어 규명이 된 것이다.
밀란코비치 이론은 ‘빙하기의 궤도이론’으로 현재 잘 발전되어 있다. 일반적으로 북쪽 대륙으로 들어오는 여름 햇볕의 실제양이 임계 값 아래로 떨어지면 지난 해 겨울에 내렸던 눈은 여름에 녹아 없어지지 않고 빙상은 눈이 더 쌓이면서 더 크게 성장을 시작한다. 이것이 빙하기의 시작이다.
이와 유사하게, 궤도변화에 의해 북반구 고위도 여름 일사량이 특별히 강한 시기는 급속한 해빙(解氷), 그로인한 기후변화, 해수면 상승을 일으킨다. 이러한 궤도 강제력이 기후변화의 속도를 몇 만 년 단위에서 궁극적으로 결정하나, 그에 대한 강한 반응은 궤도강제력을 증폭시키는 강한 피드백 과정에 의하여 결정된다. IPCC 4차 보고서는 지구가 향후 30,000년간 자연적 과정에 의하여 빙하기로 접어들 가능성이 없다고 밝히고 있다.
온실효과와 밀란코비치 주기가 밝혀짐으로써 기후변동의 원인을 파악할 수 있는 토대가 마련된 것이다.
이치선/ 서울대 물리학과･변호사
재창간 210호
