대기과학(Atmospheric Science) 문답 #14. 기후 변화

#1. 과거 기후는 어땠는가? 빙하기와 온난기, 그리고 최근 2000년 동안 기후 변화에서 하키 스틱 패턴과 1500년 ~ 1800년 사이의 소빙하기를 중심으로 설명하면?

과거 지구의 기후는 온난기와 빙하기가 여러 차례 반복되는 형태였다.

최근 2000년 동안 기후 변화에서, 지구 평균 기온의 Anomaly (특정 시기의 평균값과 실제 관측 데이터의 차이값)를 도식한 결과, 근 100년 동안 급격하게 증가하는 하키 스틱 패턴을 보였다.

1500년 ~ 1800년에 해당하는, 우리나라 역사로 치면 고려 ~ 조선 시기에는 소빙하기가 있었다. 이 부근 1600 ~ 1700년대 정도에 해당할 때의 마운더 극소기에는 영국의 템스 강이 얼어붙기도 했다.

#2. 기후 변화의 자연적 요인에는 무엇이 있는가? 각각을 설명하고 예시를 들 수 있으면?

기후 변화에 대한 자연적 요인에는 다음이 있다. 그러나 이들 모두는 최근 100년 동안의 기후 변화(지구 온난화, 하키 스틱 패턴)는 설명하지 못한다.

• 화산 활동
• 태양 활동의 변화(태양 흑점)
• 밀란코비치 주기
• 대륙 이동과 해류 변화
• 자연적 온실 기체 농도 변화

#2-1. 화산 활동

화산 활동으로 대기 중으로 분출된 에어로졸의 경우, 성층권 등으로 유입되는 경우 장기간 중력에 의하여 자체적으로 낙하할 때까지 태양 복사의 지표 유입을 차단하는 파라솔 효과로 인하여 지구 전체의 기온을 하강시키는 Cooling Effect를 가져온다.

실제로 1991년 피나투포 화산의 폭발 이후, 약 1여년 동안 지구 전체의 평균 기온이 0.7도 정도 하강한 전례가 있다.

#2-2. 흑점 개수 변화와 연계된 태양 활동의 변화

태양에서 자기장의 세기가 강하여 주변보다 어둡게 관측되는 부분을 흑점이라 한다. 흑점의 개수는 주로 태양 활동의 변화와 연계되어 있다고 알려져 있다. 태양의 활동이 강한 시기일수록 흑점의 개수가 많다는 것이 현재까지의 관측 결과이다.

일반적으로 태양 활동의 변화는 태양 상수에 영향을 미치기 때문에 지구의 기후 변화에 영향을 줄 수는 있다. 그러나 기후 변화와 태양 활동의 변화가 맞아 떨어진 시기도 있고(e.g. 1600 ~ 1700년 마운더 극소기, 이 시기는 태양 활동이 극소기였음, 소빙하기), 그렇지 않은 시기도 있기 때문이다.

#2-3. 밀란코비치 주기

밀란코비치는 지구의 자전축 세차 운동, 지구 자전축 평균 경사, 지구 공전 궤도 이심률의 변화의 장주기를 전주 종합하여 얻은 밀란코비치 주기를 제시한 바 있다. 지구의 자전축 세차 운동은 지구에 도달하는 위도별 태양 복사 선속을 변화시킬 수 있고, 지구 자전축의 평균 경사의 경우도 마찬가지의 영향을 발휘할 수 있다. 지구 공전 궤도 이심률의 변화는 태양과 지구 사이의 거리를 변화시켜 태양 상수에 변화를 줄 수 있다.

그러나 밀란코비치 주기는 수만 년의 주기로 최근의 기후 변화를 설명하기에는 부적절하다.

#2-4. 대륙 이동과 해류 변화

대륙 이동설에 따른 해류의 변화는 지구의 열 수송을 달리 하기 때문에 지구 기후의 변화에 영향을 줄 수도 있다.

#2-5. 자연적 온실 기체 농도 변화

자연적 온실 기체의 농도 변화는 온실 효과의 강화와 약화를 통해 지구 기후 변화에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 최근 기후 변화에서 자연적 온실 기체보다는 인위적 온실 기체의 변화가 더 크다고 생각된다.

#3. 기후 변화의 인위적 요인에는 무엇이 있는가? 각각을 설명하면?

기후 변화의 인위적 요인에는 다음이 있다.

• 인위적 온실 기체 농도 변화
• 인위적 에어로졸 농도 변화
• 토지 사용의 변화

#3-1. 인위적 온실 기체 농도 변화

대기 중 인위적으로 방출된 온실 기체의 농도 변화는 전 지구적인 온실 효과의 강화를 유발하여 최근 지구 온난화에 영향을 미쳤다고 생각된다.

#3-2. 인위적 에어로졸 농도 변화

대기 중 인위적으로 방출된 에어로졸의 농도 변화는 전 지구적으로 파라솔 효과를 통한 Cooling Effect에 기여했다고 생각된다.

#3-3. 토지 사용의 변화

도시화와 문명화로 인하여 아스팔트나 시멘트 등 일반적으로 알베도가 높지 않은 토지의 면적이 증가하면서, 지구 전체의 알베도가 평균적으로 감소하였고 따라서 지구 지표에 흡수되는 태양복사선속량이 증가하면서 최근 기후 변화에 기여하였다고 생각된다.

#4. 관측 자료가 존재하지 않는 과거의 기후(고기후)는 어떤 자료를 사용하여 알아내는가?

현대적 기상 관측 자료가 존재하지 않는 과거의 기후는 주로 대체 자료(proxy data)라 불리는 자료들을 이용하여 추정한다.

#5. 대체 자료에는 무엇이 있으며, 각각은 기후 변화를 어떻게 추정할 수 있게 하는가? 각 종류에 예시가 있으면 함께 설명하면?

대체 자료에는 다음이 있다.

• 과거 문헌 자료 및 그림
• 화석(주로 시상 화석)
• 나무 나이테
• 산호 단면 줄무늬
• 동굴 퇴적물 단면 줄무늬
• 화분(꽃가루)
• 빙하 코어
• 심해 퇴적물
• 빙퇴흔

#5-1. 과거 문헌 자료 및 그림

조선 왕조 실록에 기록된 기상 기록과 같이 과거 문헌 자료를 이용하여 과거 기후를 추정해볼 수도 있다. 그러나 일반적으로 이러한 문헌 자료의 경우 보다 오래 전의 기후를 추산하려고 할 수록 기록이 적기 때문에 어려움이 따른다. 한편 과거 마운더 극소기 시기 등의 얼어붙은 템스강을 그린 그림 등을 통하여 당시의 기온 등의 기후를 추정해볼 수도 있다.

프랑스 수도원에 기록된 여름 평균 기온과 포도의 수확 시기도 하나의 주요한 예시가 될 수 있다. 이들 자료들을 토대로 보면 일반적으로 프랑스의 여름 평균 기온이 높을수록 포도의 수확 시기가 빨랐다. 따라서 수도원에 기록되지 않은 과거 여름 평균 기온을 기록된 포도의 수확 시기를 통하여 추정해볼 수도 있다.

#5-2. 화석

시상 화석과 같이 특정 온난 등 기후 조건에서 서식하는 생물의 화석은 과거 기후 추정에 중요한 단서가 될 수 있다.

#5-3. 나무 나이테

온난 습윤한 경우 나무의 생장이 빠르므로, 이 시기 나무의 나이테는 간격이 넓지만 그 반대인 한랭 건조한 경우 나무의 생장이 느리기 때문에 이 시기 나무의 나이테는 간격이 넓지 못하다. 이와 같이 과거 기후를 나무의 나이테 간격을 통하여 추정해볼 수도 있다.

#5-4. 산호 단면 줄무늬

산호의 경우 온난 해역에서 성장이 빠르며 한랭 해역에서 성장이 느리다. 따라서 산호도 나무 나이테와 마찬가지로 그 절단면에서 줄무늬의 간격을 통하여 과거 해수온을 추정해볼 수 있다.

#5-5. 동굴 퇴적물 단면 줄무늬

석회동굴에서 발견될 수 있는 동굴 퇴적물인 종유석, 석순, 석주 등의 단면은 과거 강수량 정보를 추산할 수 있게 해준다.

일반적으로 과거 강수량이 많은 경우 동굴 퇴적물에 석회 용질이 더 많이 공급되기 때문에 크게 이들이 성장하지만, 강수량이 적은 경우 동굴 퇴적물에 석회 용질이 더 적게 공급되기 때문에 이들이 비교적 적게 성장하게 된다. 이처럼 동굴 퇴적물의 단면 줄무늬의 간격을 통하여서도 과거 강수량의 정보를 추산해볼 수 있다.

#5-6. 꽃가루(화분)

나무마다 꽃가루가 다르며, 이들 나무가 잘 생장하고 화분을 형성하여 산발하는 기후 조건이 정해져 있기 때문에, 지층에서 발견되는 꽃가루는 과거 이 지역의 기후를 추산할 수 있도록 해 준다.

#5-7. 빙하 코어

남극 등의 빙하에서 뽑아낸 빙하 코어는 그 투명도, 내부에 들어 있는 공기 외에도 산소동위원소 비 등을 확인할 수 있게 해 준다는 측면에서 여러모로 과거 기후를 추정할 수 있게 해 주는 좋은 대체 자료이다.

우선 빙하 코어의 투명도는 과거 적설량을 알려준다. 적설량이 많은 경우 눈이 다져져 내부의 공기가 빠져나가기 때문에 형성된 빙하 코어의 투명도가 높다. 그러나 적설량이 적은 경우 눈이 다져지지 못하여 내부의 공기가 빠져나가지 못하고, 이 때문에 형성된 빙하 코어의 투명도는 높지 않다.

다음으로 내부에 들어 있는 공기는 과거 해당 시기의 대기 중 온실 기체의 농도를 확인할 수 있게 해 준다.

한편 빙하 코어는 그 자체에서 산소 동위원소비를 확인할 수 있게 해 준다. 산소 동위원소비란 빙하 코어의 공기 방울 속에 들어 있는 18O와 16O의 비율이다.

일반적으로 과거 기온이 온난했을수록 해양에서 18O를 포함한 수증기의 상대적 발생이 컸을 것이므로, 빙하 코어에 저장된 대기의 산소 동위원소비는 높게 나타난다. 한랭한 경우는 반대로, 해양에서 18O를 포함한 수증기의 상대적 발생이 작았을 것이므로, 빙하 코어에 저장된 대기의 산소 동위원소비는 낮게 나타난다.

#5-8. 심해 퇴적물

심해 퇴적물에서 확인할 수 있는 산소 동위원소비도 과거 기온을 추정할 수 있게 해 준다. 심해 퇴적물의 산소 동위원소비와 과거 기온은 빙하 코어의 경우와 정반대이다.

과거 기온이 온난했을수록 해양에서 18O를 포함한 물이 더 상대적으로 많이 수증기로 증발하기 때문에, 해양에서 산소 동위원소비는 감소한다. 따라서 이 경우 심해 퇴적물의 산소동위원소비는 감소한다.

반대로 과거 기온이 한랭했을수록 해양에서 18O를 포함한 물이 더 상대적으로 적게 수증기로 증발했을 것이므로, 해양에서 산소 동위원소비는 증가한다. 따라서 이 경우 심해 퇴적물의 산소 동위원소비는 증가한다.

#5-9. 빙퇴흔

이외에도 과거 지층에 남아 있는 빙퇴흔을 통하여 과거 빙하 면적을 추산해볼 수 있고, 이를 통하여 과거 기온을 추정해볼 수 있다.

#6. 고기후 추정에 사용하는 대체 자료들은 편중성 문제를 가지고 있다. 구체적으로 이들 대체 자료들은 어느 지역에 편중되어 있고, 상대적으로 어느 지역의 자료가 부족한가?

고기후 추정에 사용하는 위 대체 자료들은 주로 중위도, 북반구, 대륙 지역에 집중되어 있다는 한계점이 있다. 저위도의 경우 이들 대체 자료가 부족하다.

특히 저위도의 경우는 나이테 자료를 사용하기 힘든데, 상대적으로 온난하기 때문에 (괴펜의 기후 분류 체계에서 A: 열대 습윤 기후) 부패가 빠르기 때문이다. 반면 중위도의 경우 상대적으로 한랭하기 때문에 (괴펜의 기후 분류 체계에서 C: 온난한 겨울을 가진 중위도 습윤 기후, D: 한랭한 겨울을 가진 중위도 습윤 기후) 부패가 느려 나이테 자료를 사용하기에 적절하다.

#7. 온실 효과란 무엇인가? 지구 온난화란 무엇인가? 온실 효과와 지구 온난화의 관계는?

온실 효과와 지구 온난화는 다른 개념이다.

온실 효과란 이산화탄소, 수증기 등의 온실 기체로 인하여 지구 복사가 흡수 및 재방출되어, 온실 기체가 없는 경우보다 지구의 평균 기온이 높게 유지되는 효과를 말한다.

지구 온난화는 대기 중 온실 기체 농도의 증가로 온실 효과가 강화되어, 지구의 평균 기온이 증가하는 현상을 말한다.

#8. 지구 온난화와 관련해서는 양과 음의 되먹임 작용이 있다. 양의 되먹임 작용과 음의 되먹임 작용은 각각 무엇인가? 지구 온난화와 연관되어 있는 이들 되먹임 작용의 예시로는 각각 무엇이 있는가?

양의 되먹임 작용이란 작용의 결과가 그 작용을 강화 · 촉진시키는 방향으로 작동하는 작용을 말한다. 지구 온난화와 연관되어 있는 양의 되먹임 작용으로는 수증기 되먹임과 빙하 되먹임을 생각해볼 수 있다.

수증기 되먹임 작용은 다음과 같은 과정을 가진다.

• 지구의 평균 기온 증가
• 해수면에서의 수증기 증발 증가
• 수증기 농도 증가
• 수증기는 온실 기체이므로 온실 효과 강화
• 지구의 평균 기온 증가

빙하 되먹임 작용은 다음과 같은 과정을 거친다.

• 지구의 평균 기온 증가
• 빙하 면적 감소
• 전 지구적 알베도 감소
• 지표로 흡수되는 태양복사량 증가
• 지구의 평균 기온 증가

음의 되먹임 작용이란 작용의 결과가 그 작용을 약화시키는 방향으로 작동하는 작용을 말한다. 지구 온난화와 연관되어 있는 음의 되먹임 작용으로는 식생-이산화탄소 되먹임을 생각해볼 수 있다.

식생-이산화탄소 되먹임은 다음과 같은 과정을 거친다.

• 지구의 평균 기온 증가
• 식생 광합성량 증가
• 지구 이산화탄소 농도 감소
• 이산화탄소 온실 효과 감소
• 지구의 평균 기온 감소

#9. 지구 온난화와 관련해서 기후 모델 실험은 중대한 지구 온난화에 인위적인 영향이 미치는 영향에 대한 통찰을 제공해주었다. 기후 모델 실험의 결과는 어떠했으며, 이는 어떤 교훈을 가져다주는가?

지구 온난화와 관련하여, 인위적 기후 변화 요인을 반영하지 않고 자연적 기후 변화 요인만 반영한 기후 모델은 최근 기온 변화를 잘 설명하지 못했지만, 인위적 기후 변화 요인을 반영한 기후 모델은 최근 기온 변화를 잘 반영했다.

이러한 기후 모델 실험의 결과는 인위적 기후 변화 요인이 최근 기후 변화에 미친 영향을 잘 보여준다고 할 수 있다.

#10. 지구 공학이란 무엇이며, 그 예시로는 무엇이 있는가? 이들은 어떤 문제를 가지는가?

인위적으로 지구 기후를 조절하고자 하는 공학적 시도들을 지구 공학이라 한다. 대표적인 예시로는 대기 중 이산화탄소를 포집하여 고체 상태 또는 고압 기체 상태로 지층공에 저장하자는 탄소 포집 기술이나 성층권에 에어로졸을 살포하여 Cooling Effect를 유도하자는 의견, 거대 태양광 패널을 띄우자는 의견 등이 있다. 그러나 이들은 기술적 문제와 함께 이들이 장기적으로 생태계에 미칠 영향 등 2차 효과를 예견하기 어렵다는 문제점을 가진다.