지구 표면의 온도는 20세기가 시작된 이래 계속 올라갔다. 기온은 1년, 10년, 수십 년 주기로 요동치면서도 지난 100년 동안 점점 증가했고 지난 수십 년 동안 비교적 크게 증가했다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC; Intergovernmental Panel on Climate Change) 제5차 평가 보고서(2013년)에 “20세기 중반 이후에 관측된 온난화의 지배적인 원인은 인간의 영향이었을 가능성이 극단적으로 크다.”는 내용이 있다. 이 보고서는 관측된 온난화의 대부분이 인간의 활동에 따른 이산화탄소, 메테인, 아산화질소 같은 온실 기체의 농도 증가 때문일 수 있다고 결론지었다. 2007년 IPCC는 전 미국 부통령 엘 고어와 함께 노벨 평화상을 수상했다.
온실 기체는 대기에서 차지하는 함량이 매우 작지만 적외선을 강하게 흡수하고 방출해 지구 표면을 따뜻하고 거주 가능한 곳이 되게 하는 데 도움이 되는 온실효과를 일으킨다. 장기적으로 지구의 온도는 대기권 최상단으로 들어오는 알짜 태양 복사와 지구에서 빠져나가는 복사가 균형을 이루도록 유지된다. 복사 불균형은 지금 진행중인 지구 온난화와 일치하는 결과다. 지구 복사는 대부분 4 마이크로 미터보다 긴 파장에서 발생하고 태양 복사는 대부분 4 마이크로 미터보다 짧은 파장에 관련된다. 태양 복사는 단파(短波) 복사, 지구 복사는 장파(長波) 복사다.
지구의 장파 복사는 주로 수증기 때문에 스펙트럼의 많은 범위에 걸쳐 매우 강하게 흡수된다. 수증기를 통한 흡수가 비교적 적은 7~20 마이크로 미터 사이에 이른바 대기의 창이 있어서 이산화탄소, 오존, 메테인, 아산화질소가 매우 강하게 흡수된다. 온실 효과는 하늘을 덮는 구름 때문에 일어나기도 한다. 구름은 대기 전체에서 일어나는 온실 효과의 약 20%를 차지한다. 구름은 태양광을 반사하는 알베도 효과도 낸다. 구름이 일으키는 태양 복사의 반사가 온실 효과를 압도한다. 구름은 지구의 열 균형에서 알짜 냉각 효과를 일으킨다.
수증기는 강력한 온실 효과의 주요 원인이다. 이산화탄소는 대기 중에 오래 머물고 수증기는 짧게 머문다. 온실 효과는 지구 표면을 따뜻하고 거주 가능한 기후로 유지하는 데 있어서 필수적이다. 대기 중 이산화탄소 농도가 2배로 증가하면 지표면과 대류권에서는 온도가 상승하지만 성층권에서는 냉각이 일어난다.(67 페이지) 위성 마이크로파 즉정과 소형무선기상 장비 측정 결과 밝혀진 바로는 성층권의 지구 평균 온도는 지난 수십 년 동안 감소해 왔다.(68 페이지) 이는 지구 온난화를 간접 증거한다.
이산화탄소 증가는 대류권(하층 대기)의 온난화를 유발하는 한편 성층권 및 상층 대기의 냉각을 일으킨다. 이산화탄소 농도가 증가하면 지표 근처에서 방출되는 적외선 복사를 더 많이 가두어 온난화가 일어나지만 밀도가 낮은 상층 대기에서는 증가한 이산화탄소가 우주로 향하는 열을 증가시켜 수축과 냉각을 유발한다. 그 이유는 그곳에서는 공기가 너무 희박해서 분자들이 방출된 적외선 복사를 재흡수하지 못하기 때문이다.(대류권을 영어로 troposphere라 한다. 변한다는 의미의 어원을 갖는다. 성층권을 영어로 stratosphere라 한다. 층이 졌다는 의미의 어원을 갖는다.)
대류권에서는 고도가 높아질수록 기온이 점차 낮아진다. 성층권에서는 처음에는 일정하게 유지되다가 일정 고도를 넘으면 오히려 따뜻해진다. 이를 이렇게 풀어서 이야기할 수 있다.
<워싱턴 D.C.와 이후 뉴저지주 프린스턴에 있는 NOAA(미국해양대기청)의 GFDL(지구물리유체역학연구소)에서 근무한 마나베는 GFDL의 초대 소장인 조셉 스마고린스키와 함께 대기의 3차원 모델을 개발했다. 첫 단계로 마나베와 웨더럴드(1967)는 수증기의 양의 되먹임 효과를 고려한 복사-대류 평형 상태의 1차원 단일 열 대기 모델을 개발했다. 수증기 피드백 즉 따뜻한 공기가 더 많은 수증기를 함유할 수 있어 온실 효과를 증가시킨다는 사실을 나타낼 수 있게 해주도록 개선한 시스템을 바탕으로 기후 민감도를 재계산할 수 있었다. 대기 중 이산화탄소 농도가 두 배로 증가할 때 기온이 2.3°C 상승한다는 그들의 결과는 기후 과학의 역사는 물론 기후 모델링 역사에서도 중요한 결과로 생각할 수 있다. 그들은 이 모델을 사용하여 대기 중 이산화탄소 농도 변화에 따라 지표면과 대류권에서는 온도가 상승하는 반면 성층권에서는 온도가 하강한다는 것을 발견했다.>라고.
기후 과학의 가장 어려운 과제 중 하나는 기후 민감도를 신뢰성 있게 추정하는 것이다. 기후 민감도란 충분히 긴 시간에 걸쳐 특정한 열 강제력이 주어졌을 때 일어나는 지구 평균 표면 온도의 반응을 말한다. 1966년 11월 마나베 슈쿠로는 최초의 현대 기후 모델을 개발했다. 임페리얼 칼리지 런던의 명예 교수이자 대기 물리학자인 조안나 헤이그는 마나베의 모델에는 온실 효과를 추정할 때 다른 사람들이 간과했던 두 가지 핵심 요소가 포함되어 있었다고 말한다. 하나는 대류 조정으로 대기 중 기체가 들어오는 태양 복사열과 지면에서 반사되는 열에 반응하여 움직이는 방식을 설명한다.
마나베 모델의 또 다른 핵심 요소는 수증기다. 대기가 따뜻해지면 온실가스인 수증기를 더 많이 함유할 수 있게 된다. 이는 양의 피드백 루프를 발생시킨다. 대기가 따뜻해질수록 더 많은 수증기를 함유할 수 있게 되고 결과적으로 대기는 더욱 따뜻해진다. 따라서 건조한 계산(dry calculations)을 했던 과학자들은 이산화탄소의 온난화 효과를 과소평가했다고 헤이그는 말한다. 건조한 계산이란 수분(물)을 제외하고 고형분(固形分; dry matter)만을 기준으로 성분을 분석하는 방식이다. 고형분이란 액상 제품의 수분을 모두 증발시켰을 때 남는 유효성분의 함량(%)을 뜻한다.
2021년 마나베는 클라우스 하셀만, 조르주 파리시 등과 함께 노벨 물리학상을 수상했다. IPCC의 2007년 평화상 수상, 마나베 등의 2021년 노벨 물리학상 수상은 모두 기후와 관련된 업적을 인정받은 결과다. 기후 문제 해결은 평화와 직결되며 그 메커니즘 해명은 물리적 의미를 지닌다고 말할 수 있다. 그렇다면 마나베의 업적은 어느 정도의 지질학젹 의미를 지닐까? 그의 기후 분석은 지질 시대에 걸쳐 지구 표면, 해양, 대기가 어떻게 상호작용하는지 이해함으로써 지질학과 밀접하게 연결된다.
또한 그의 해양-대기 모델은 대륙 배치 및 대기 조성과 같은 경계 조건을 변경하여 과거의 지질 시대를 시뮬레이션할 수 있게 해준다. 노벨상에 지구과학 분야는 없다. 그러나 베틀슨(또는 베틀레센) 상이 있다. 1959년 뉴욕에 본부를 둔 G. 웅거 베틀레센 재단이 제정한 이 상은 "지구, 지구의 역사 또는 우주와의 관계에 대한 더 명확한 이해를 가져오는 과학적 업적"에 수여하는 상으로 지구과학 분야의 노벨상에 해당한다. 물론 이 상도 물리학자 또는 지구물리학자가 많이 수상했다. 해수면 상승 추이를 도표화하고 이를 기후 변화와 연관시킨 선구적인 연구를 한 지구물리학자 아니 카제나브(2020년), 지구 내부 작동 원리를 밝혀낸 심지구(深地球) 탐험가이자 물리학자 데이비드 콜스테트(2023년) 등이 대표적이다.
이는 물리학이 자연과학의 기본에 해당하는 학문이기 때문이다. 6,500만 년 전 대멸종이 단순히 느린 동일과정설적 과정이 아니라 거대한 소행성 충돌에 의해 발생했음을 증명하여 지구과학을 혁신적으로 바꾼 공로를 인정받은 월터 알바레즈(2008년)가 가장 유명한 지질학자다.
중요한 사실은 지구 표면의 온난화 규모가 두 반구에서 비대칭적이라는 점이다.(208 페이지) 북반구에서는 위도 증가에 따라 온난화가 증가해 북극해에서 최대가 된다. 남반구의 고위도에서는 온난화가 비교적 작다. 북반구 고위도에서 온난화가 큰 것은 지구로 들어오는 일사(日射)의 많은 부분을 반사하는 해빙(海氷)과 적설(積雪)이 북극에 몰려 있기 때문이다. 남반구의 고위도에서 온난화가 작은 것은 남극해 연안 근처뿐 아니라 남극해의 방대한 지역에서 일어나는 심층 대류 때문이다. 마나베는 물 순환에 미치는 영향을 평가하는 연구를 했다. 온도가 증가하면 포화 증기압이 커진다.
이에 따라 물이 더 많이 증발한다. 증발이 많아지면 강수도 많아지고 지구 전체의 물 순환이 빨라진다. 이에 따라 파괴적 폭우가 내리는 지역이 생긴다. 지구 전체의 물 양은 일정하기에 다른 지역은 가뭄에 시달릴 수 있다. 화석 연료 연소로 인한 기온 상승이 지구의 대기를 더 거대한 스펀지로 만들어 물 순환을 더 강력하고 불규칙하게 변화시킨 결과다. 독일의 기상학자 프란츠 마울스하겐의 말을 기억할 필요가 있다. “기후 변화 앞에서는 전세계가 궁극적으로 운명 공동체다.” [기후의 과학]의 원제는 [지구 온난화를 넘어서(Beyond Global Warming)]다. 기후 변화에 대해 경각심을 주기보다 관련 메커니즘을 밝히는 쪽의 서술 방향을 보였기 때문이라는 생각이 든다.
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