온난화는 이렇게 일어난다.

파란하늘 빨간지구 - 기후변화와 인류세, 지구시스템에 관한 통합적 논의
조천호 지음 / 동아시아 / 2019년 3월

 온난화는 매우 잘 알려져 있지만 그 과정을 자세히 설명한 책은 드물다. 이 책은 그 드뭄을 대한 갈증을 충족시켜주는데 설명이 매우 자세하여 온난화 과정과 그 원인에 대해서 많은 과학적 사실을 알 수 있었다. 

 책은 인간에게 매우 소중한 지구가 인간과 생명에 어쩌다 우호적 환경을 선사했는지 부터 설명한다. 그리고 이는 알다시피 기적적 우연에 가깝다. 일단 태양계의 위치인데 은하계에서 가장자리다 중심이 아니라 슬퍼게 느껴지지만 만약 태양계가 은하계의 중심에 위치했다면 블랙홀의 강한 복사에너지 때문에 행성들이 초토화되었을 것이다. 즉, 생명의 발생 가능성이 사라진다는 것이다. 다행히 우리 태양계는 블랙홀에서 멀리 떨어져있다. 

 그리고 태양계 내에서 지구는 다행이 위치가 적절하다. 지구와 형제인 금성과 화성은 생성 초기 대기조건이 매우 유사했다. 다만 금성은 태양과 가까워 복사에너지가 지구의 2배에 달하고 이로 인해 물이 기화되고 강한 자외선으로 수증기가 산소, 수소로 분리되었다. 가벼운 수소는 우주로 모두 날아가버리고 산소는 금성의 암석을 산성화시켰다. 때문에 물이 존재하지 않는다. 반면 화성은 질량이 지구의 1/10에 불과하다. 낮은 중력으로 기체가 거의 우주로 날아가버렸고 복사에너지도 적어 물이 없고 있다해도 지하나 일부 표면에 얼음으로만 존재한다. 

 반면 원시 지구는 달랐다. 초기엔 수증기만 존재했지만 소행성충돌로 고온상태가 끝나고 수증기가 응결하여 비가 내려 바다가 형성되었다. 당시 지구는 이산화탄소만 60기압에 달했는데 이 이산화탄소를 생성된 바다가 흡수했다. 그래서 이산화탄소 농도가 10기압까지 하강했는데 지구의 판구조로 인해 대륙의 갈라진 틈으로 칼슘과 마그네슘이 공급되었고 바다에 녹은 탄소가 이들과 결합해 탄산칼슘과 탄산마그네슘을 형성하여 초기 대륙의 재료로 쓰였다. 그리고 최종적으로 35억년 전 엽록소를 가진 생물이 탄생하여 이산화탄소를 산소로 전화하였다. 산소는 대기 중 수소와 만나 물을 형성하였는데 이를 통해 지구는 가벼운 수소가 물로 붙잡혀 상당량 남게 되었다. 이 모든 과정을 통해 초기에 무척 높던 이산화탄소는 지금처럼 적정하게 낮아지게 되었다. 

 생성된 산소는 위로 올라가 성층권에서 오존을 형성하여 자외선을 차단하게 되었다. 오존은 자외선으로 산소와 산소라디칼로 분리되지만 둘은 불안정하여 곧바로 다시 오존으로 결합한다. 5억8천만년이 되어서야 오존의 충분한 형성으로 자외선 량이 지금 수준으로 감소했다. 그리고 이로 인해 식물이 육상으로 진출하게 되었다. 성층권은 열구조가 대류권에 비해 안정적으로 형성되어 있는데 이때문에 지구 대기는 지구의 약한 중력에도 불구하고 탈출이 어렵다.

 달도 지구의 안정적 환경에 한몫을 했다. 원래 지구의 자전 주기는 6시간이었지만 달의 중력으로 인해 서서히 느려져 24시간이 되었다. 하루가 6시간이라면 진화는 매우 달라졌을 것이다. 그리고 달은 지구의 자전축을 기울여 계절을 발생시켰다. 계절로 인해 생명체는 안정적 진화가 가능해졌다. 만약 자전축이 기울지 않았다면 극한의 여름과 극한의 겨울만이 발생한다. 

 지금의 지구 환경엔 빙하가 큰 역할을 한다. 3500만년전 남극 대륙이 분리되어 남으로 이동하여 강한 해류가 주변에 생성되었다. 그로 인해 남극 주변으로 따뜻한 물이 유입되지 않기에 이르렀는데 그래서 남극에 거대 빙하가 생성되기 시작했다. 북반구에는 거꾸로 따뜻한 물의 유입이 빙하를 형성했다. 300만년전 대서양 열대 해류가 멕시코 만류를 통해 북극으로 흐르기 시작했는데 이 해류가 눈을 많이 내리게 해 북반구에 빙하게 형성된 것이다. 

 이 빙하는 확장과 수축을 반복하는데 북반구의 여름이 약해지면 고위도 지역의 눈이 여름에도 안 놓고 쌓여 빙하를 생성하고 성장한다. 그러면 빙하가 무거워져 그 압력으로 아랫부분이 녹아 빙하가 흘러내리면서 빙하는 점점 성장하며 퍼져나간다. 이 빙하는 햇빛을 더욱 반사하여 기온을 하강시키고 대양은 차가워져 이산화탄소 흡수를 더 많이 하게되어 온실효과가 약해져 빙하가 더욱 성장한다. 음의 되먹임 효과다. 

 반면 여름이 강해지거나 화산의 분출등으로 대기중 이산화탄소 농도가 짙어지면 기온이 상승하고 빙하는 후퇴한다. 대양은 뜨거워져 이산화탄소를 녹여내지 못하고 대기중으로 방출하여 기온은 더욱 상승하고 빙하는 점점 적어진다. 양의 되먹이 효과다.

 이런 빙하는 현재 지구의 10%정도다. 빙하기 때는 25%였고, 두께도 2-3km였다. 이산화탄소 농도가 240ppm이면 빙하기로 전환되는데 현재는 산업화로 인해 무려 405ppm이다. 인간이 100ppm이상을 올려 놓았고 빙하기 간빙기 전환때 1만년간 4-5도가 상승하기에 지금의 온난화 속도는 이것의 20-25배에 해당한다.  

 인간은 20만년 전 등장했지만 문명은 겨우 7천년 정도 전에 형성되었다. 이는 빙하기와 관련이 깊다. 빙하기때는 기온이 낮아 증발량이 적고 사막이 많았다. 물론 해수면이 지금에 비해 크게 낮아 땅이 많았지만 대부분 빙하로 덮히거나 사막이 많아 거주할 만한 곳은 더 적은 셈이었다. 거기에 극지방과 저위도간 온도차가 커서 바람도 매우 세게 불었다. 이런 환경에선 사실상 농업은 거의 어렵고 채집과 수렵경제만이 가능하다. 그러다 2만년전부터 간빙기가 도래했고 인간은 그제서야 계절에 따른 식량 생산이 가능해졌다. 간빙기에 상승하던 해안선은 7천년전에야 지금모습으로 안정화하였는데 이 시기가 문명 발생시점과 일치한다. 즉, 자연환경이 안정되었기에 문명의 발전이 가능했다는 것이다.

 문명 이후에도 기후는 영향을 강하게 미쳤다. 기원전 400-기원후 200년은 기후가 매우 온난하고 안정적인 기후 최적기로 불린다. 이 시기 서양에서는 로마제국이 동양에서는 한 제국이 번성했다. 하지만 이후 가뭄이 닥치자 양 제국은 경제가 붕괴하고 이민족의 침략으로 멸망한다. 이는 역사의 법칙인데 기후가 좋아지면 농경제국은 번성하고 유목민족은 침공하거나 제압한다. 하지만 기후가 안좋아지면 농경제국의 경제는 붕괴하고 역시 목초지의 환경이 나빠진 유목민이 농경제국을 침공하여 위기에 빠뜨린다. 제국은 망하기도 하며 유목민제국으로 교체되기도 한다. 

 14-19세기는 소빙기로 동아시아는 서늘했고, 유럽은 17세기 북미는 19세기가 추웠다. 소빙기는 16세기의 잦은 화산활동으로 생겨났는데 인구감소도 영향을 미치는 것으로 생각된다. 당시 유럽은 흑사병, 북미는 원주민의 전염병으로 인한 절멸, 중국은 기아로 인구가 1억가까이 줄어들었다. 이는 목초지 및 농경지를 숲으로 회복하는 결과를 가져와 식생에 의한 대기중 이산화탄소 감소를 불러일으켰고 이것이 온난화 효과를 줄여 소빙기를 가져왔다는 것이다. 

 소빙기엔 왕조간 다툼 및 종교분쟁으로 전례없는 폭동과 전쟁이 생겨났다. 농업생산량 감소로 곡물가격은 폭등했고 인간의 신장은 작아지고 영양수준이 낮아 면역력이 떨어졌다. 이로 인해 전염병이 창궐했고 농민은 이를 피해 도시로 유입하여 전염병을 더욱 악화시켰다. 프랑스는 이로 인해 결국 혁명이 일어난다. 소빙기에 유럽엔 난방을 위한 목재수요가 급증했고 공급이 달려 어쩔수 없이 하급재료인 석탄에 의존하게 되었다. 석탄 수요가 급증하자 광산에서 이를 캐내기 위해 증기기관이 발명되었고 이는 곧 산업혁명으로 이어졌다. 

 이처럼 기후는 인간의 역사와 문명의 흥망성쇠에 지대한 역할을 미쳤다. 그런데 인간이 산업화로 인해 그 기후를 바꾸고 있다. 온난화는 온실가스에 의해서 발생하는데 질소나 산소등 이원자 분자나 아르곤 같은 단원자 분자는 적외선을 흡수하지 않는다. 이산화탄소나 메탄같은 다원자 분자가 적외선 복사와 같은 진동수로 진동하며 적외선을 흡수해 온실효과를 일으킨다. 사실 수증기가 가장 큰 온실효과를 일으키지만 인간에 의한 증가가 적고 어쩔수 없는 부분이기에 온실가스로 치부하지 않는다. 

 온실가스의 대표주자는 이산화탄소다. 이산화탄소는 온실효과의 74%를 담당하며 한번 대기에 방출되면 사라지는데 수백에서 수천년이 소요된다. 즉, 우리가 뿜어낸 이산화탄소는 한창 뒤의 후손들이 계속해서 감당해야 한다는 뜻이다. 메탄가스는 온실효과의 19%를 기여하나 12년정도만 대기에 머무른다. 아산화질소는 8%를 기여하며 대기중에 114년이나 머문다. 

 사실 인간이 내뿜은 온실가스에 의한 온실효과는 생각보다 적은 편이다. 인간은 산업혁명 이후 1초마다 히로시마 원폭의 4개, 하루 35만개 정도의 에너지에 해당하는 이산화탄소를 배출한다. 하지만 이 에너지는 바다가 90%, 육지 5%, 대기2%에 흡수되기에 온난화 효과가 적게 나타난다. 바다의 역할이 매우 중요한 셈인데 이는 어떻게 보면 시한폭탄이기도 하다.

 바다는 매우 순환이 느리며 즉각적으로 반응하는 육지에 비해 변화가 오래 걸린다. 현재 열대 아열대의 바다는 표층이 늘 따뜻하다. 거센 폭풍이 불면 표층의 열이 깊은 바다로 전달되는데 이는 20-30년정도 걸리는 일이다. 그리고 북극의 차갑고 밀도 높은 바닷물은 빙하를 형성하고 염분이 높아져 깊은 심해로 가라앉는다. 그리고 이 물이 대서양을 남북으로 갈로질러 남극 심층수와 합쳐지고 이 물이 동으로 올라가 북태평양에 도달한 후 동남아시아와 아프리카를 거쳐 멕시코 만류와 합쳐져 다시 북극으로 이동한다. 이 거대한 순환은 상당히 오랜 시간이 걸리는데 온난화로 인한 변화 역시 상당한 훗날에 갑작스레 크게 나타남을 의미한다. 이 순환이 약화하거나 사라진다면 지구기후가 크게 변화하기 때문이다. 유럽 지역은 위도가 매우 높음에도 상대적으로 따뜻한 기후를 유지하는데 그것은 바로 이 해수의 흐름때문이다. 이것이 사라진다면 유럽지역은 빙하기에 빠져드는 것이다. 

 온난화가 일어나면 증발량이 늘어 수증기가 늘어난다. 습한 공기가 더 많이 상승하는데 이는 응결하여 비를 많이 내린후 건조해져 하강한다. 호우와 가뭄이 반복되는 것이다. 현재 지구는 열대지역에서 강한 상승기류가 형성되어 열대호우가 발생하고 아열대 고압대에 하강기류가 생겨 이지역이 건조하다. 온난화는 열대호우는 강화하는 한편 그 반대급부로 하강기류도 강화한다. 즉, 건조지역이 확대하는 것이다. 때문에 이 지역에 해당하는 유럽 남부와 미국 서부는 건조의 확대로 매년 산불에 시달리고 있다. 산불이 온난화를 더욱 부채질하는 것은 자명하다.

 제트기류는 중고위도의 날씨를 제어한다. 온난화로 고위도 저위도간 기온차가 감소하면 제트기류가 비정상적으로 느려지는 블로킹 현상이 발생한다. 상층흐름이 정체되면 지상날씨도 정체되는데 그 결과 지상의 고기압 저기압이 더욱 강화한다. 이는 고기압 지역은 폭염, 저기압 지역은 홍수를 의미한다. 제트기류는 북극권의 공기와 중위도의 공기를 분리하는 역할도 하는데 이게 약해지면 북극권의 공기가 중위도 지역까지 흘러내린다. 혹한이다. 

 태풍은 지구의 에너지 불균형을 해소하는 장치다. 중위도의 고기압 저기압은 열대의 공기를 북으로 이동시키고, 극지방의 차가운 공기는 남으로 이동한다. 해양에서도 열대의 뜨거운 물이 북으로 이동하는데 그래도 에너지가 해소되지 못하면 태풍이 생겨난다. 대규모의 수증기가 응결하면 이 과정에서 대기로 열을 방출해 팽창한 공기가 상승한다. 상승한 공기는 태풍 상부에서 바깥으로 빠져나가고 이로 인해 중심기압이 낮아져 외부 공기가 태풍의 하부로 밀려 상승한다. 이때 수증기가 공급되며 이 과정이 반복해 태풍이 지속되거나 커진다. 태풍은 기압이 낮아 해수면은 누르는 힘이 약해져 해수면이 상승하는데 이로 인해 태풍이 불면 저지대가 침수된다. 온난화로 태풍은 강해졌는데 그 결과 저지대 침수가 잦아졌다. 또한 온난화는 열팽창으로 대양 자체를 팽창시켜 지난 백년간 해수면은 20cm나 상승했다. 

 온실가스가 계속 누적되어 온실효과를 가속화하면 지구는 티핑포인트를 넘어 대양과 토양, 식생을 통해 탄소를 흡수하는 역할에서 탄소를 배출하는 찜통지구로 변모한다. 학자들은 지구가 찜통지구로 진입하면 기온은 4-5도 가 높아지고 해수면ㅇ느 10-60m상승할 것으로 예측한다. 이를 막기위해 2018 IPCC보고서는 지구 온난화를 1.5도이내로 제한하는 것과 2도로 제한하는 것을 비교했다. 여름철 해빙은 전자의 경우 1세기에 한번 모두 녹고 후자라면 10년에 한번 사라진다. 산호초는 70-90%전멸에서 완전 전멸이 되고, 기후에 적합한 영역을 상실할 식물은 8%에서 10%가 된다. 극심한 폭염에 노출된 인구는 양자가 4억2천만이 차이가 나고 어획량도 150만톤의 차이를 보일 것으로 예측된다. 다만 이를 위해서는 온실가스의 배출을 2030년까지 2010년의 45%수준으로 감축해야하고 2050년엔 탄소제로시대를 만들어야만 한다.

 온난화는 수자원의 상실도 가져온다. 온난화는 증발량을 크게 해 집중호우를 불러온다. 집중호우는 강우량 자체는 늘리지만 하천의 유출량을 크게하여 물의 보관 및 이용을 더욱 어렵게 한다. 물의 저장효율은 떨어지지만 토양침식이라는 부작용만 커지는 것이다. 그리고 세계인구의 무려 25%가 산악 빙하에 식수를 의지한다. 온난화는 이 산악빙하를 모두 녹여버려 사실상 이 지역의 수자원을 고갈시킨다. 대표적 산악빙하는 히말라야 산악빙하인데 이는 인도 갠지스, 인더스 강, 동남아사아 메콩강, 중국의 양쯔강과 황하강의 발원지이다. 그리고 이에 의존하는 인구는 무려 10억이 넘어간다. 수자원엔 한국도 긴장해야한다. 가상수란 개념이 있는데 식품을 생산하는데 들어가는 물의 양이다. 한국은 식량자급률이 25%에 불과한데 한국의 가상수 수입은 그래서 연간 무려 288억톤에 달한다. 이는 세계 5위에 해당하는 것으로 온난화로 인한 각국의 물부족이 한국의 어떤 치명타를 불러올지 쉽게 알려주는 대목이다. 

 온난화의 또 다른 문제는 공평하지 못함이다. 온실가스의 70%는 세계인구 20%이하의 공업선진국이 배출한 것으로 이들은 그래서 기후변화 무임승차국이된다. 반면 그 피해는 고작 3%이하를 배출한 저위도의 가난한 10억에게 집중한다. 이들은 기후변화 강제승차국이다. 또한 기후 변화는 선진국내에서도 더욱 가난한 이에게 더 큰 피해를 입힌다. 2009-2012년 서울의 전체 사망자 33544명을 대상으로 조사한 결과 가난할 수록 온난화에 의한 폭염으로 사망할 가능성이 높았다. 폭염발생때 가난하면 사망위험이 18%높았고, 녹지공간이 적은 곳에 살면 18%가 높았고 근처에 병원이 없다면 19%가 높았다. 때문에 기후변화의 정당한 대응원칙이 중시된다. 이는 형평성, 공동이지만 차별화된 책임, 개별 국가의 역량을 주장한다. 공동책임이지만 배출량이 많은 국가가 더 많은 책임을 지고, 기후 변화에 드는 비용은 각 나라의 지급능력에 따라 부담한다는 것이다.