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[과학이야기] 기획특집 ① 이상 기후
- 등록일2024.12.16
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이상 기후
여러분은 지구 기온 상승 마지노선 1.5도에 대해서 들어보셨나요?
2015년 파리기후변화협약(COP21)에서 세계 195개 국가가 지구의 기온 상승 폭을 산업화 이전 대비 1.5도 이내로 제한하는 목표를 세웠습니다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 기온 상승 폭이 1.5도를 넘을 경우 전례 없는 기후 위기를 직면할 것이라고 경고했습니다. 그러나 유럽 코페르니쿠스 기후변화국(C3S)은 2023년 2월부터 2024년 1월까지 1년 동안의 지구의 평균 기온 측정치가 산업화 이전 시기 대비 1.5°C 이상 상승하였다고 발표했습니다. 더불어 2024년에는 3개월 이상 지속된 케냐 홍수, 체감온도가 50°C에 육박하는 동남아시아 폭염, 58만 명의 이재민이 발생한 브라질 홍수 등 지구 전역에서 이상 기후가 발생하고 있습니다. 이런 이상 기후는 무엇이 요인이 되어 발생하는 것일까요? 그리고 인류는 이런 이상 기후에 어떻게 대응할 수 있을까요? 이번 기획특집에서는 이상 기후의 주요 요인인 지구 온난화와 엘니뇨를 살펴보고, 나아가 이상 기후에 대항할 기술까지 알아보겠습니다!
기획특집 ① 지구 온난화의 영향
2023년 이산화탄소 배출량은 2000년대에 비해 약 13.6억 톤이 증가하였고, 지구 온난화는 더욱 심각해지고 있습니다. 이에 따라 지구의 에너지 불균형을 해소하는 ‘대서양 자오면 순환’이 급격히 약화될 것이라는 연구 결과도 나오는 등 지구 온난화는 이상 기후에 큰 영향을 미치고 있습니다. 이번 꼭지에서는 온실기체가 온실효과를 일으키는 원리와 복사강제력 및 에너지 불균형, 그리고 지구 온난화가 미치는 영향까지 알아보도록 하겠습니다!
온실기체와 온실효과
어떤 기체가 온실기체로 작용하려면, 기체 분자가 특정 파장의 적외선과 상호작용을 해야 합니다. 전기장을 갖는 적외선과 상호작용을 하기 위해서는 기체 분자가 진동하며 쌍극자 모멘트1의 변화가 일어나야 합니다. 기체 분자가 진동하여 쌍극자 모멘트가 변화하면 적외선이 흡수되고, 흡수된 에너지는 진동 에너지를 상승시킵니다. 이 과정에서 대기에 열에너지가 저장되어 온실기체로서 역할을 하게 됩니다. 산소 분자나 질소 분자와 같이 동일 원자 두 개로 구성된 이원자분자는 진동하더라도 쌍극자 모멘트에 변화가 없어 적외선을 흡수할 수 없습니다. 반면에, 이산화탄소나 메탄은 비극성분자2지만 진동하며 쌍극자 모멘트가 변화해 적외선을 흡수하고, 온실기체로 기능합니다.
그림 1. 이산화탄소의 진동으로 인한 쌍극자 변화
그런데 많은 온실기체 중 특히 이산화탄소가 주요 온실기체로 대두되는 이유는 무엇일까요? 아래 그림은 온실기체들에 대한 적외선 흡수 스펙트럼과 지구 복사 스펙트럼을 파수에 따라 나타낸 그래프입니다. 그림에서 나타나듯 15μm 파장은 이산화탄소가 가장 많이 흡수하는 파장으로, 지구가 방출하는 적외선의 상당한 부분을 차지하고 있습니다. 따라서 이산화탄소는 다른 온실기체와 비교해서 온실효과에 더 큰 영향을 미칩니다.
그림 2. 온실기체의 적외선 흡수 스펙트럼과 지구 복사 스펙트럼
흡수하는 스펙트럼 이외에도 이산화탄소가 주요 온실기체로 꼽히는 데에는 분자 구조적인 이유가 있습니다. 이산화탄소의 분자는 선형 분자 구조로 전하 분포가 대칭을 이루고 있습니다. 그 때문에 분자의 분해나 다른 분자와의 결합이 잘 이루어지지 않는 화학적으로 안정한 구조를 갖추고 있어 대기에 오래 머물 수 있습니다. 반면에 아산화질소는 비대칭적인 구조로 이산화탄소에 비해 불안정해 대기에 오래 머물지 못합니다. 한편, 수증기는 대기 중 양도 많고 흡수하는 적외선도 많아 전체 적외선 흡수량의 50%를 차지합니다. 이는 이산화탄소(전체 적외선 흡수량의 20%)가 미치는 영향보다 더 크지만, 수증기는 인간 활동으로 직접적으로 증가하지 않으며 대기 중에 오래 머무는 대신 순환하기에 문제로 여겨지지 않습니다.
복사강제력과 에너지 불균형
지구는 복사 평형 상태를 이루고 있어 입사하는 복사에너지와 방출하는 복사에너지가 균형을 이루고 있습니다. 그러나, 온실기체가 지나치게 증가하면 복사강제력(Radiative Forcing; RF)이 증가하여 복사평형 상태를 깰 수 있습니다. 복사강제력이란 온실기체와 같은 대기 중 특정 물질로 인해 유발된 대기 상층부에서의 장파복사와 단파복사의 차이를 의미합니다. 온실기체가 많아지면 대기가 열을 더 많이 가두어 지표면에서 우주로 방출되는 장파복사가 줄어들고 그만큼 복사강제력이 증가하게 됩니다. 예를 들어, 이산화탄소의 복사강제력은 산업화 이전(1750년)에 비해 2011년 기준 1.82W/m2만큼 늘었고, 이는 전 세계가 하루에 소비하는 전기 에너지의 약 12.1배에 달하는 수준입니다. 태양 빛을 반사 또는 산란하는 에어로졸이나 구름 등의 요소가 음의 복사강제력을 유발하기도 하지만, 온실기체로 인한 양의 복사강제력의 영향력이 더 강하게 작용하고 있어 복사 평형이 깨지는 중입니다. 결국 지구는 다른 복사 평형 상태로 이동하기 위해 대기와 해양에 많은 열에너지를 축적하고, 그 결과 에너지 불균형을 유발해 지구 온난화를 심화합니다.
그림 3. 온실기체로 인한 지구의 에너지 불균형
지구 온난화가 미치는 영향
지구 온난화는 지구의 기후변화에 큰 영향을 미칩니다. 먼저, 지구의 대기에서는 대기 대순환이라는 대규모의 공기 순환 패턴이 일어납니다. 이는 지구 자전과 태양 에너지의 불균등한 분포로 인해 발생하며, 저위도부터 해들리 순환, 페렐 순환, 극 순환의 3개의 순환 세포로 이루어져 있습니다. 또한 각 세포에서는 전향력3으로 인해 무역풍, 편서풍, 극동풍이 불게 됩니다. 여기서 에너지 불균형과 지구의 자전으로 인해 열과 각운동량이 극지방으로 이동하며 서쪽으로 빠르게 이동하는 대기의 흐름이 생겨나는데, 이를 제트기류라고 합니다. 특히, 한랭 제트기류는 북극의 찬 공기가 중위도로 퍼지는 것을 막는 역할을 합니다.
그림 4. (상)대기대순환과 (하)제트기류
제트기류는 에너지 불균형으로 유발되기 때문에 북극의 기압이 낮아질수록 강해지고, 높아질수록 약해집니다. 만약, 지구 온난화로 북극의 기온이 높아지면 북극의 기압이 올라가고, 중위도와의 기압 차이가 줄어들면서 제트기류가 찬 공기를 가두지 못해 중위도 지역에 한파를 유발하게 됩니다. 이 외에도 지구 온난화는 대기에 여러 영향을 미칩니다. 기온 상승으로 대기의 포화 수증기량을 증가시켜 극단적인 강수 패턴을 촉발하며 많아진 수증기는 온실효과를 일으켜 지구 온난화를 더 심화하는 악순환을 유발합니다. 그뿐만 아니라 온난화로 인해 태풍, 허리케인과 같은 자연재해의 빈도와 강도가 상승하고, 고온으로 가열된 지표면은 고농도의 오존을 발생시켜 대기오염을 악화시키기도 합니다. 지구 온난화는 대기뿐만 아니라 해양에도 큰 영향을 미칩니다. 해양에서는 대기 대순환의 영향을 받아 일어나는 표층 순환과 밀도 차이로 일어나는 심층 순환이 이루어집니다. 심층 순환은 열염순환(thermohaline circulation)이라고도 불리며, 염분과 수온으로 인한 밀도 차이에 의해 일어나는 해수의 순환입니다. 심층 순환은 침강과 용승을 통해 표층 순환과도 밀접한 상호작용을 하고, 고위도로 에너지를 수송하며 지구의 에너지 불균형을 해소하는 데 큰 역할을 합니다. 또한, 대기 중의 탄소를 심해로 저장하거나 심해에 산소를 공급하는 등 지구의 주요한 순환 중 하나입니다.
그림 5. 해양의 순환 모식도(진한 검은색이 심층수의 흐름)
그러나 지구 온난화로 인해 극지방의 기온이 상승하고 수온의 상승과 함께 담수가 유입되면 심층 순환이 약해집니다. 이 경우 고위도 지역의 기온은 더 하락하고, 저위도 지역의 기온은 더 상승하며 지구의 에너지 불균형이 심화됩니다. 또한, 많은 양의 담수 유입과 더불어 수온 증가로 인한 열팽창은 해수면 상승을 초래해 연안 지역에 염수 침투와 같은 피해를 줍니다. 한편, 수온 상승은 야광충과 플랑크톤의 개체수를 증가시킵니다. 이는 곧 적조현상과 산소가 부족해지는 부영양화를 유발해 해양생태계에 부정적인 영향을 미칩니다. 이와 더불어 이산화탄소의 증가로 인한 해양의 산성화는 탄산칼슘 형성을 어렵게 하여 이를 골격으로 하는 해양생물에게 큰 영향을 미치게 됩니다. 지금까지 온실가스와 온실효과에 대해 알아보고, 온실효과가 복사강제력에 미치는 영향과 지구 온난화가 지구에 미치는 영향까지 살펴보았습니다. 이렇게 지구 온난화는 그 자체로 이상 기후이기도 하지만, 다른 이상 기후를 유발하는 주요 원인이기도 합니다. 그러나 지구 온난화 이외에도 이상 기후를 유발하는 다른 원인이 있습니다.
다음 꼭지에서는 이상 기후를 유발하는 또 다른 주요 원인인 엘니뇨에 대해 깊게 알아보도록 하겠습니다!
글. 무은재학부 24학번 30기 알리미 신동현