기후 변화의 과학: 지구 온난화는 왜 멈추지 않는가

지구의 평균 기온이 지속적으로 상승하면서 우리는 전례 없는 기후 위기를 겪고 있습니다. 폭염, 산불, 홍수와 같은 극한 기상 현상이 점점 더 빈번하게 발생하고 있죠. 많은 사람들이 궁금해합니다. 왜 지구 온난화는 멈추지 않는 걸까요? 이 질문에 답하기 위해서는 기후 변화의 과학적 메커니즘을 이해해야 합니다.

온실가스와 온실효과

기후 변화의 과학을 이해하려면 먼저 온실효과의 원리를 알아야 합니다. 태양으로부터 지구에 도달한 단파장의 복사 에너지는 지표면을 따뜻하게 만든 후, 장파장의 적외선 형태로 다시 우주로 방출됩니다. 이때 대기 중의 온실가스가 이 적외선을 흡수하여 열을 저장하고 다시 지구로 방출하는데, 이것이 바로 온실효과입니다. 온실효과 자체는 지구 생명체에게 필수적입니다. 만약 온실가스가 전혀 없다면 지구의 평균 온도는 영하 18도까지 떨어져 생명체가 살기 어려운 환경이 됩니다. 현재 지구의 평균 기온인 영상 15도를 유지하는 데 온실가스가 핵심 역할을 하고 있는 것이죠. 문제는 산업혁명 이후 인간 활동으로 인해 대기 중 온실가스 농도가 급격히 증가했다는 점입니다. 주요 온실가스로는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화황이 있으며, 이 중 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량의 약 80퍼센트를 차지합니다. 이산화탄소는 주로 화석연료의 연소, 산업 공정, 산림 파괴 등에서 발생합니다. 대기 중에 100년에서 300년까지 머무르며 전체 온실효과의 65퍼센트를 담당합니다. 산업혁명 이전 280ppm이었던 이산화탄소 농도는 2019년 기준 약 410ppm까지 상승했으며, 이는 인류가 매년 엄청난 양의 온실가스를 배출하고 있다는 명백한 증거입니다. 메탄은 이산화탄소 다음으로 중요한 온실가스입니다. 습지, 농업, 축산업, 천연가스 연소 등에서 발생하며, 같은 양일 때 이산화탄소보다 약 21배 강력한 온실효과를 나타냅니다. 대기 중 체류 시간이 약 9년으로 비교적 짧아 배출량을 줄이면 빠른 효과를 볼 수 있다는 장점이 있습니다. 아산화질소는 비료 사용, 화석연료 연소, 산업 공정 등에서 배출되며 지구온난화지수가 310에 달합니다. 대기 중에 약 114년 동안 머물며, 성층권으로 올라가 오존층을 파괴하면서 소멸됩니다.

양성 피드백 루프

지구 온난화가 멈추지 않는 가장 중요한 이유 중 하나는 바로 양성 피드백 루프 때문입니다. 피드백 루프란 시스템의 출력이 다시 입력으로 작용하여 원래의 출력을 증폭시키거나 감소시키는 현상을 말합니다. 기후 변화의 과학에서 양성 피드백은 온난화가 또 다른 온난화를 촉진하는 악순환을 의미합니다. 첫 번째로 중요한 피드백 루프는 수증기 피드백입니다. 이산화탄소 증가로 기온이 상승하면 대기가 더 많은 수증기를 포함할 수 있게 됩니다. 수증기는 그 자체로 강력한 온실가스이기 때문에 대기를 더욱 가열하고, 이는 다시 더 많은 수증기를 발생시키는 양성 피드백 루프를 형성합니다. 두 번째는 북극 얼음 감소와 알베도 효과입니다. 북극의 빙하와 해빙이 녹으면 햇빛을 반사하던 하얀 얼음이 사라지고 어두운 바다나 토양이 드러납니다. 어두운 표면은 더 많은 태양 에너지를 흡수하여 온도를 더욱 상승시키고, 이는 다시 더 많은 얼음을 녹이는 악순환을 만듭니다. 실제로 북극은 지구 평균보다 약 2배 빠른 속도로 온난화되고 있습니다. 세 번째는 영구동토층의 메탄 방출입니다. 북극 지역의 영구동토층에는 엄청난 양의 메탄이 갇혀 있습니다. 온난화로 영구동토층이 녹으면 이 메탄이 대기로 방출되고, 메탄은 강력한 온실가스이므로 온난화를 더욱 가속화시킵니다. 네 번째는 해양의 탄소 흡수 능력 감소입니다. 바다는 인간이 배출한 이산화탄소의 상당 부분을 흡수해왔습니다. 하지만 해수 온도가 상승하면 이산화탄소의 용해도가 감소하여 바다가 탄소를 흡수하는 능력이 떨어집니다. 또한 해양 산성화로 인해 식물성 플랑크톤의 광합성 능력이 저하되면서 탄소 흡수가 더욱 감소하게 됩니다. 다섯 번째는 산림 감소와 탄소 순환의 악화입니다. 온난화로 인한 가뭄과 산불이 증가하면 숲이 파괴되고, 이는 대기 중 이산화탄소를 흡수하는 능력을 감소시킵니다. 산불로 인해 저장되어 있던 탄소가 대기로 방출되면서 온실가스 농도는 더욱 증가합니다. 연구에 따르면 지구 시스템에는 최소 41개의 확인된 피드백 루프가 존재하며, 이 중 26개가 온난화를 증폭시키는 양성 피드백으로 작용합니다. 문제는 현재의 기후 모델이 이러한 복잡한 피드백 루프를 완전히 반영하지 못하고 있어, 실제 온난화의 진행 속도가 예측보다 빠를 수 있다는 점입니다.

기후 시스템의 복잡성

기후 변화의 과학이 복잡한 이유는 기후 시스템이 대기권, 수권, 빙권, 지권, 생물권의 상호작용으로 이루어진 거대한 시스템이기 때문입니다. 각 구성 요소는 서로 영향을 주고받으며 끊임없이 변화합니다. 대기권은 기상 현상을 통해 물과 열을 순환시키고, 수권은 대기에 열과 수증기를 공급합니다. 빙권은 태양 에너지의 반사율을 변화시켜 지구 복사량에 영향을 주고, 지권은 식생과 토양을 통해 대기와 에너지를 교환합니다. 생물권은 탄소 순환을 통해 기후 시스템에 영향을 미칩니다. 이산화탄소의 대기 중 체류 시간이 100년에서 300년에 이르다는 점도 중요합니다. 이는 우리가 오늘 당장 모든 온실가스 배출을 중단하더라도, 이미 배출된 온실가스가 수십 년, 수백 년 동안 대기에 남아 지속적으로 온난화를 일으킨다는 의미입니다. 육불화황의 경우 한번 배출되면 3200년까지 영향을 미칠 수 있습니다. 지구 온난화로 정상 범위보다 뜨거워진 기후 시스템의 초과된 열은 91퍼센트 이상을 해양이 흡수하고, 5퍼센트는 육지 온난화, 3퍼센트는 얼음 감소, 1퍼센트는 대기 온난화로 이어집니다. 해양이 엄청난 양의 열을 흡수하고 있다는 것은, 설령 대기 온도 상승이 일시적으로 둔화되더라도 해양에 축적된 열이 지속적으로 기후 시스템에 영향을 미친다는 의미입니다. 현재 지구의 평균 기온은 산업화 이전 대비 약 1.1도 상승했습니다. 기후변화에 관한 정부간 협의체는 온난화가 1.5도를 초과할 경우 지구에 돌이킬 수 없는 더 큰 영향을 미칠 것이라고 경고하고 있습니다. 그린란드 빙상의 완전한 융해와 같은 티핑 포인트에 도달하면 인류의 노력으로는 되돌릴 수 없는 상황이 발생할 수 있습니다. 기후 모델의 예측에 따르면, 현재 추세대로 온실가스를 계속 배출한다면 21세기 말까지 전지구 평균 기온은 최대 4.8도 상승하고 강수량은 6퍼센트 증가할 것으로 전망됩니다. 반면 어느 정도 저감 노력이 실현된다면 기온 상승폭을 2.8도로 제한할 수 있습니다. 지구 온난화의 영향은 이미 우리 주변에서 명확하게 관측되고 있습니다. 육지의 기온은 지구 전체 평균보다 약 2배 빠르게 상승했고, 사막은 확대되고 있으며, 폭염과 산불의 빈도가 증가하고 있습니다. 북극의 영구동토층이 녹고 빙하와 해빙이 사라지고 있으며, 강력한 태풍과 기상이변이 빈발하고 있습니다. 우리나라의 경우 최근 30년간 평균 해수면이 매년 2.9밀리미터씩 상승하여 지구 평균보다 빠른 속도를 보이고 있습니다. 21세기 후반에는 한반도 기온이 현재 대비 최대 5.6도까지 상승할 수 있으며, 서울의 폭염일수는 현재의 약 5배인 68.7일로 증가하여 거의 두 달 동안 폭염을 겪을 것으로 전망됩니다. 산호초 백화 현상, 생물 종의 멸종, 식량과 물 부족, 감염병 확산 등 기후 변화는 생태계와 인류 문명 전반에 회복할 수 없는 위험을 초래하고 있습니다. 세계보건기구는 기후 변화를 21세기 세계 보건에 끼칠 가장 큰 위협이라고 규정했습니다.

요점 정리

기후 변화의 과학을 이해하는 핵심 포인트

1. 온실효과의 메커니즘: 대기 중 온실가스는 지구에서 방출되는 적외선을 흡수하여 열을 가두는 온실효과를 만듭니다. 산업혁명 이후 인간 활동으로 온실가스 농도가 급격히 증가하여 지구의 평균 기온이 상승하고 있습니다.
2. 이산화탄소의 역할: 전체 온실가스 배출량의 80퍼센트를 차지하는 이산화탄소는 화석연료 연소, 산업 공정, 산림 파괴에서 주로 발생하며, 대기 중에 100년에서 300년 동안 머물러 지속적으로 온난화를 일으킵니다.
3. 양성 피드백 루프: 온난화가 더 많은 온난화를 촉진하는 악순환 구조가 존재합니다. 수증기 증가, 북극 얼음 감소, 영구동토층 메탄 방출, 해양 탄소 흡수 능력 감소, 산림 파괴 등이 대표적인 양성 피드백 루프입니다.
4. 기후 시스템의 복잡성: 대기권, 수권, 빙권, 지권, 생물권이 상호작용하는 복잡한 시스템이며, 41개 이상의 피드백 루프 중 26개가 온난화를 증폭시키고 있습니다. 이러한 복잡성 때문에 온난화를 멈추기가 매우 어렵습니다.
5. 장기적 영향: 이미 배출된 온실가스는 수십 년에서 수백 년 동안 대기에 남아 영향을 미치며, 해양이 흡수한 열은 지속적으로 기후 시스템을 불안정하게 만듭니다. 산업화 이전 대비 1.1도 상승한 현재도 이미 심각한 영향이 관측되고 있습니다.
6. 시급한 대응의 필요성: 기후변화에 관한 정부간 협의체는 온난화를 1.5도 이하로 제한해야 돌이킬 수 없는 재앙을 피할 수 있다고 경고합니다. 온실가스 감축과 기후위기 적응이라는 두 가지 접근이 모두 필요하며, 지금 당장 행동해야 합니다.

지구 온난화는 단순히 기온이 올라가는 현상이 아닙니다. 기후 변화의 과학은 복잡한 피드백 루프와 장기적인 영향, 그리고 되돌릴 수 없는 티핑 포인트의 존재를 보여줍니다. 온난화를 멈추기 위해서는 온실가스 배출을 대폭 줄이고, 이미 발생한 변화에 적응하는 노력이 동시에 필요합니다. 과학적 사실을 정확히 이해하고, 개인과 사회 차원에서 적극적으로 행동할 때 우리는 비로소 기후 위기를 극복할 수 있을 것입니다.