클라우스 하셀만 박사는 기후 속에 숨어 있는 이산화탄소 발자국, 화산분출 흔적, 태양 복사량의 미세한 변동을 지문처럼 분리해내는 이론적 도구를 만들었다. 1976년 이전에는 기후는 너무 복잡해서 알 수 없다는 말이 흔했지만 그 이후에는 기온은 무작위적이지만 예측 가능한 방식으로 흔들린다 라는 생각이 나왔다. 지층이란 암석이나 토양의 층으로 이웃한 다른 곳들과 구분되는 특성을 갖는다. 각 층은 일반적으로 서로 평행하게 놓여 있다. 자연적인 힘으로 쌓인다. 지층은 보통 서로 색이나 구조가 다른 암석들이 쌓여 있는 줄무늬로 보이며 절벽, 도로의 절개면 등지에서 볼 수 있다. 각 줄무늬의 두께는 얇게는 몇 밀리미터에서 두껍게는 수 킬로미터 이상에 이른다. 지층의 법칙을 발견한 사람은 덴마크의 지질학자 니콜라스 스테노다.
뉴턴은 '프린키피아'에서 지구와 똑같은 크기의 쇳덩이를 뜨겁게 달구면 5만 년 이상이 흐른 뒤에도 식지 않을 거라 주장했다. 여기서 힌트를 얻은 르크레르 뷔풍은 크기가 다른 철 구슬을 빨갛게 달아오를 때까지 가열한 후 손이 데지 않을 정도까지 식는 데 걸리는 시간을 측정하는 실험을 고안했다. 그런 후 그는 지구와 크기와 비슷한 공이 식는 데 걸리는 시간을 계산해 지구의 나이가 적어도 75, 000년 이상은 되어야 한다는 것을 알아냈다. 지구의 정확한 나이는 뢴트겐이 X선을 발견한 1895년 이후에 이루어졌다. 뢴트겐 이후 베크렐이 우라늄의 방사선을, 퀴리 부인이 라듐과 폴로늄의 방사선을 발견한다.
1907년 캐나다 맥길 대학의 러더퍼드와 소디는 방사성 붕괴와 반감기에 대한 법칙을 발표했다. 이 이론을 통해 여러 가지 방사능 원소의 반감기가 계산되었고 이를 이용해 여러 가지 암석의 나이를 알 수 있게 되었다. 그렇게 해서 지구의 나이는 약 45억 년 정도가 되었다. 수성론은 지구가 물로부터 기원했다고 주장하는 이론이다. 그들에 의하면 모든 암석은 바다에서의 결정 작용이나 침전에 의해 만들어졌다. 아브라함 베르너는 바닷속에서 먼저 화강암이 결정 작용에 의해 만들어진다는 말을 했다. 그리고 화강암 속에는 화석이 없다. 그 이후 침전으로 점판암이 생겨난다. 점판암 속에는 약간의 화석이 발견된다. 그 후 석탄 암처럼 화석이 많이 들어 있는 퇴적암이 생기고 마지막으로 풍화에 의해 모래와 점토가 생겨난다. 물론 점판암은 변성암이다.
수성론과 반대되는 이론으로 모든 암석의 생성 원인이 물이 아니라 열이라는 이론을 화성론이라 부른다. 제임스 허턴은 대표적인 화성론자다. 지구에서 일어나는 현상은 엄청나게 긴 시간에 걸쳐 기본적으로 동일하게 진행되어 왔다는 주장이 허턴의 동일과정설이다. 허턴은 지구 내부는 녹은 용암으로 이루어져 있고 단단한 지표가 그것을 에워싸고 있다고 보았다. 이어 용암의 운동이 지표를 굴곡시켜 산맥을 만들고 산맥 아래쪽에는 화강암과 같은 결정성의 암석이 생기고 위쪽에는 퇴적암이 생긴다고 말했다. 알프레드 베게너는 블라디미르 쾨펜의 딸 엘제 쾨펜과 결혼했다. 베게너의 스승은 천문학자 빌헬름 푀르스터, 열역학자 막스 플랑크였다.
기상학자인 베게너가 대륙 이동설을 발표하자 많은 지질학자들이 과학적 근거가 희박하다며 베게너를 비웃었다. 대륙이 이동했다고 생각한 최초의 과학자는 네덜란드의 지도 제작자 오르텔리우스다. 그는 아메리카 해안선과 유럽 아프리카 해안 사이의 유사성을 확인하고 아메리카 대륙이 유럽과 아프리카 대륙에서 분리되었다고 주장했다. 1858년 프랑스의 지질학자 스나이 더 펠레그리니는 '창조와 그 신비의 베일'이라는 책에서 유럽과 미국에서 동일한 식물 화석을 발견하고 대륙이동설을 주장했다. 베게너는 고생대 후기에 오늘날의 모든 대륙이 하나의 큰 덩어리 또는 초대륙을 형성했고 이후 그 덩어리가 분열되었다고 생각했다. 베게너는 이 고대 대륙을 판게아 라고 불렀다. 베게너는 판게아의 구성 부분들이 오랜 지질학적 시간에 걸쳐 수천 마일 떨어진 것으로 천천히 이동했다고 주장했다. 그는 이 이동을 대륙 이동이라고 불렀다.
3억년 전에 대륙이 뭉쳐 판게아 대륙이 만들어지면서 애팔래치아 산맥, 아틀라스 산맥, 우랄산맥 등이 생겨났다. 판게아 대륙을 둘러싼 넓은 바다를 판탈라사해라 부른다. 1억 8000만년 전인 쥐라기 때 판게아는 남쪽의 곤드와나, 북쪽의 로라시아로 나뉘었다. 두 대륙 사이의 바다를 테티스해라 부른다. 그 후 판게아는 오랜 시간이 흐르면서 점차 분리되어 현재와 같은 일곱 개의 대륙으로 나뉘게 되었다. 지진이 파동 현상이라는 사실을 처음 알아낸 사람은 영국의 존 미셸이다. 지진이 발생하면 두 종류의 지진파가 발생한다는 사실을 알아낸 사람은 영국의 딕슨 올덤이다. 지진학에 대한 올덤의 가장 중요한 공헌은 지진 발생시 두 개의 지진파가 동시에 발생한다는 것이다.
올덤은 속도가 빨라 지표에 먼저 도착하는 지진파를 P파라 불렀다. 속도가 느려 나중에 도착하는 지진파를 S파라 불렀다. 그는 두 파동이 지진계에 도착한 시간의 차이를 통해 지진이 발생한 지점인 진원까지의 거리를 결정할 수 있다는 사실을 알아냈다. 또한 P 파는 액체를 통과할 수 있지만 S 파는 액체를 통과할 수 없다는 사실을 알아냈다. 그는 지구 내부에서에 S파가 진행할 수 없는 곳이 있음을 알아냈고 이를 통해 지구 내부에 액체 상태인 부분이 존재한다는 것을 알아냈다. 안드리아 모호로비치치는 지각과 맨틀 사이의 경계면을 발견했다. 이 불연속면을 모호로비치치 불연속면이라 한다. 모호면은 대륙에서 평균 지하35km에, 해양에서 평균 지하 5km 위치에 있음이 밝혀졌다.
지표로부터 깊이 2,890km 지점에서 물리적 변화가 일어난다. 이 지점에서에 S파(전단파)는 완전히 사라지고 P파(종파)는 갑자기 속도가 떨어지며 굴절된다. 맨틀 아래를 핵이라 부르는데 이 부분이 액체 상태라는 것이 밝혀졌다. 과학자들은 맨틀과 핵의 경계면을 구텐베르크 불연속면이라 한다. 잉게 레만은 핵이 두 부분으로 나뉜다는 사실을 알아냈다. 두 부분이란 내핵과 외핵을 말한다. 그 경계면은 지표로부터 깊이 5,150km 지점이다. 공기들은 끊임없이 움직인다. 그런데 공기 알갱이들이 조금 모여 있는 곳은 공기가 누르는 압력이 작아서 다른 지역보다 기압이 낮다. 그러면 주위에 수증기를 포함한 공기들이 그 지역으로 몰려들게 되고 결국 위로 솟아오를 수밖에 없다. 높이 올라갈수록 온도가 낮아지니까 공기 속에 수증기가 물방울로 응결되면서 구름이 만들어진다.
그러므로 기압이 낮은 곳에는 구름이 많이 생겨 날씨가 흐리고 비가 올 확률이 높아진다. 고기압의 중심은 주위로 공기가 빠져나가니까 위로 올라갈 공기가 없어 구름이 안 생기고 날씨가 맑다. 물방울이 비가 되어 내리려면 적어도 1mm 이상은 되어야 한다. 그 말은 곧 수많은 물 분자가 서로 달라붙어야 한다는 뜻이다. 문제는 그것이 쉽게 일어나지 않는다는 데에 있다. 구름은 그냥 떠 있는 물방울이고, 비는 커진 물방울이 땅으로 떨어지는 것이고, 눈은 얼음이 녹지 않고 그대로 떨어지는 것이다. 지구의 대기권은 4개의 권역으로 나뉜다. 지표에서 가까운 곳부터 대류권, 성층권, 중간권, 열권이다. 대두 권은 대기권의 가장 아래층으로 모든 날씨가 일어나는 공간이다.
기온은 2층에서 고도로 높아질수록 점점 떨어진다. 이런 온도 감소는 공기를 불안정하게 만들고 결국 뜨거운 공기는 위로 차가운 공기는 아래로 움직이게 된다. 이것이 바로 대류이다. 대류 권이란 이름도 여기서 비롯된다. 이 층에서는 공기의 대류가 활발히 일어나며 수증기, 먼지, 기체들이 뒤섞이고 순환한다. 공기의 움직임은 저기압과 고기압을 만들고 바람을 불게 하며 구름을 만들고 비와 눈을 내리게 한다. 우리에게 익숙한 모든 기상 현상은 이 대류 권에서 벌어진다. 성층권은 우리가 아는 날씨와는 전혀 다른 세계이다. 대류권과 뚜렷하게 구분되는 성질을 가지고 있다. 성층권에선 대류가 일어나지 않는다. 대류권에선 따뜻한 공기가 위로 오르고 차가운 공기는 아래로 내려가는 대류 현상이 활발하게 일어난다. 그러나 성층권은 다르다.
이곳에서는 고도가 높아질수록 오히려 기온이 상승한다. 이는 일반적인 공기 덩어리의 대류를 막는 조건이다. 성층이 더 따뜻하므로 공기가 순환하지 않는다. 그래서 성층권은 조용하고 안정된 층이다. 성 층권에서는 고도 약 20km 이상부터 기온이 다시 상승한다. 이 현상을 온도 역전이라 한다. 그 원인은 바로 이 층에 존재하는 오존층 때문이다. 오존은 태양의 자외선을 흡수하며 열을 발생시키고 이로 인해 성층권 상층은 대기 중에서 드물게 온도가 증가하는 영역이 된다. 성층권에서는 기상 현상이 거의 일어나지 않는다. 계류가 없고 수증기 농도가 매우 낮아서 이곳에서는 비 눈구름이 거의 생기지 않는다. 성층권 아래쪽에서 발생하는 강한 적운형 구름이 일시적으로 진입하는 경우를 제외하면 이 층은 정적이며 건조한 공기로 채워져 있다.
그렇기에 상공을 비행하는 여객기나 정찰기 기상 관측 기구들은 성층권 하단을 선호한다. 기상이 안정되고 공기저항이 적기 때문이다. 성층권은 제트기류의 경계 지대이다. 성층권 하단 즉 대류경계면 부근에는 제트기류가 빠르게 흐른다. 이 강한 고속 바람은 전 지구적인 기후 순환에 영향을 주며 항공기의 비행시간과 연료효율에도 깊은 연관이 있다. 성층권 자체는 바람이 거의 없지만 그 경계선에서는 바람이 급변하는 기후 전환 지대가 형성된다. 중간권은 대기권 중에서도 기온이 가장 낮은 영역이다. 고도 약 80-85km 부근에서는 영하 90° 이하로 떨어지기도 한다. 중간권에서는 유성이 자주 발생한다. 이 권역에서 지구로 들어오는 유성체가 마찰에 의해 불에 타기 때문이다.
중간권은 성층권과 달리 대류 현상이 다시 일어난다. 공기밀도가 낮아 기상관측이 어렵다. 열권은 지구 대기의 최상층이자 우주로 향하는 마지막 하늘이다. 여기서는 기온 이 수백 도까지 오르지만 분자 밀도가 너무 낮아 피부로 느껴지는 열기는 거의 없다. 과학으로서의 예측의 탄생에 기여한 두 사람은 영국 해군 장교 프랜시스 보퍼트와 그의 제자 로버트 피츠로이다. 두 사람의 연구는 오늘날 모든 일기예보 지식의 기초를 형성했다. 18세기 후반 인간의 시선은 성경을 넘어 지질학적 지층으로 향했다. 지질학자들은 지층 속에 새겨진 연속적인 기후변화와 지질 시대의 흔적들을 읽기 시작했다. 이들은 선사시대라는 개념을 받아들이고 지구의 나이는 훨씬 오래되었으며 기후는 지속적인 변화의 역사를 가졌다고 추정했다.
1815년 스위스의 장 피에로 페로뎅은 알프스 고산계곡에서 거대한 바위들이 흩어져 있는 모습을 보고 이들을 이동시킨 힘은 빙하일 것이란 가설을 세웠다. 이 가설은 처음에는 비웃음과 무시를 당했지만 루이 아가시는 이를 과학적으로 정제하고 체계화했다. 그는 알프스를 답사하고 바위의 이동 흔적과 지형의 증거를 수집하여 지구가 과거 광범위한 빙하로 덮여 있었음을 주장했다. 1837년 아가시는 공식적으로 빙하기 이론을 발표한다. 이는 단순한 기후변화 이론이 아니라 지구의 역사를 바라보는 관점을 송두리째 바꾸는 선언이었다. 당시까지 많은 지질학자는 지형의 형성을 성경적 홍수나 격변의 결과로 보았으나 아가시는 점진적이고 물리적인 원인을 제시함으로써 지질학을 더 과학적인 학문으로 전환시켰다.
1774년 스위스의 자연 철학자 소쉬르는 온실 효과를 직접 검증해 보기로 했다. 그는 투명한 유리판으로 덮인 상자를 여러 겹으로 만들어 태양 아래에 놓고 내부 온도를 측정했다. 결과는 놀라웠다. 내부 온도는 외부 온도보다 훨씬 높았고 상자 내부는 마치 작은 태양로처럼 작동했다. 이 실험은 다음과 같은 사실을 명백히 보여줬다. "빛은 들어오되 열은 갇힌다." 1824년 조제프 푸리에는 물리학자의 눈으로 지구라는 행성의 온기를 바라보았다. 그에게 지구는 단지 태양빛을 받는 돌덩이가 아니었다. 오히려 스스로 따뜻함을 품고 있는 하나의 정교한 에너지 시스템이었다. 푸리에는 단순한 질문에서 출발했다. 왜 지구는 진공상태보다 더 따뜻할까? 태양빛이 닿는 우주의 물체가 단순히 복사 평형에 따라 차가워져야 한다면 지구의 평균기온은 지금보다 훨씬 낮아야 했다.
푸리에는 이 문제를 물리학의 언어로 풀었다. 그는 태양에서 오는 가시광선은 대기를 통과해 지표에 도달하지만 지구가 그 에너지를 흡수하고 다시 적외선 형태로 재 방출할 때는 그 빛이 대기 중에 머무르게 되는 현상을 예측했다. 오늘날 우리가 온실 효과라고 부르는 개념의 기원이다. 그는 이렇게 썼다. "지표의 상태, 물의 분포, 공기의 큰 움직임은 수세기에 걸쳐 평균 질량을 변화시킬 수 있다." 클로드 푸이예는 태양 복사 에너지가 지구에 도달한 뒤 그 에너지 가지 표면에서 적외선 형태의 열 복사로 뒤 돌아간다고 보았다. 그런데 그는 수증기와 이산화탄소 같은 특정 기체들이 이 열 복사를 흡수하고 다시 지구를 향해 방출함으로써 지구의 온도를 높일 수 있다는 가설을 세웠다. 푸이예의 이론에는 한계가 있었다.
그의 아이디어는 이론적 추정에 불과했고 수증기나 이산화탄소가 실제로 열 복사를 흡수한다는 실험적 증거는 아직 존재하지 않았다. 당시의 과학기술로는 자외선의 스펙트럼을 정밀하게 측정하거나 기체에 따른 흡수율을 수측할 수 없었기 때문이다. 그의 가설은 흥미로웠지만 검증되지 않은 주장으로 분류되었다. 이산화탄소가 온실 효과를 일으킨다는 사실을 처음 알아낸 사람은 미국의 여성과학자 유니스 푸트다. 마나베 슈쿠로는 일본계 미국인이다. 1958년 박사학위를 마친 마나베는 미국으로 건너갔다. 미국 기상청 산하의 일반 순환 연구소(GFDL)에서 일하며 그는 하나의 질문에 매달렸다. "이산화탄소가 지구의 온도를 어떻게 변화시킬까?"
그는 1967년 리처드 웨더 럴드와 함께 이산화탄소 농도를 두 배로 증가시키면 지표면 온도는 약 2.3° 상승한다는 결과를 얻었다. 이 수치는 단순한 시뮬레이션 결과가 아니었다. 그것은 기후 민감도라는 개념의 출발점이 되었다. 클라우드 하셀만은 기후를 수십년간 바라본 과학자였다. 그는 날씨가 기후를 흔들 수 있다는 사실에 주목했다. 매일 매일 변덕스러운 날씨가 쌓이고 쌓여 결국 느리고 무거운 기후를 움직이게 만든다는 것이다. 그는 이 과정을 확률과 수학의 언어로 표현하였다. 하셀만은 날씨는 빠르게 변하고 무작위적이라고 생각했고 기온은 느리게 변하며 날씨의 평균적 결과라고 생각했다. 하셀만은 방정식을 통해 완벽한 예측이 아닌 확률적 예측을 추구했다. 정확히 내일 무슨 일이 일어날지는 몰라도 앞으로 어떤 일이 일어날 가능성은 알 수 있다 것이다.
그는 기후 민감도 자연 변동성 지문 분석과 같은 현대 기후 과학의 개념들을 한 줄기 수식에서 끌어냈다. 하셀만은 여기에 하나를 더했다. 세상이 점점 더 이산화탄소를 뿜어내고 있다는 사실. 그는 방정식에 새로운 항을 추가했다. 하셀만은 자신의 방정식을 통해 다음과 같이 말한다. 기온은 예측 불가능한 것이 아니라 확률적으로 예측 가능한 것이다. 이 단순한 문장은 과학의 본질을 꿰뚫는다. 우리는 세상을 완벽히 알 수 없지만 충분히 잘 알 수는 있다. 하셀만은 기후의 불확실성 안에서 질서를 찾아낸 사람이다. 그는 2021년 노벨물리학상을 수상하며 이렇게 말했다. "기후 문제는 기술의 문제가 아니라 의지의 문제다. 우리는 이미 알고 있다 이제 행동한 차례다."