14. 되먹임 현상: 온난화의 가속 페달
되먹임 현상(feedback mechanism)은 시스템의 변화가 다시 원인에 영향을 주는 순환 구조로,알베도 효과 감소, 영구동토의 메탄 방출, 해수면 상승 등으로 지구온난화를 가속화하며, 이는 악순환을 형성한다.음의 되먹임은 복사에너지 증가, 식물의 광합성, 구름 형성 등으로 기후변화를 완화하지만, 현재는 양의 되먹임이 더 우세하여 기후 위기를 심화시키고 있다.
되먹임 현상(feedback mechanism)1)
하지만 더 큰 문제는 지구의 기온상승으로 극지방의 빙하가 녹으면서 발생하는 '되먹임 현상(feedback mechanism)’이 발생하여 지구온난화를 가속화시키고 있다는 것이다.
되먹임 현상(feedback mechanism)은 어떤 시스템에서 변화가 발생할 때 그 변화가 원인에 영향을 미쳐 시스템이 더욱 변화하도록 하는 과정을 말한다. 되먹임 형상은 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째, 양의 되먹임(Positive Feedback)으로서 변화가 시스템을 더 강화하거나 가속화시키는 효과를 발생시킨다. 즉, 변화가 원인에 긍정적인 영향을 주어 변화가 더 크게 진행된다.
둘째, 음의 되먹임(Negative Feedback)으로서 변화가 시스템을 억제하거나 완화시키는 효과를 발생시킨다. 즉, 변화가 원인에 부정적인 영향을 주어 시스템이 균형을 유지하거나 변화가 줄어든다.
그러나 지구온난화는 주로 양의 되먹임 현상을 통해 서로 영향을 미치며, 이러한 과정은 기후 변화를 가속화시킬 수 있다.
양의 되먹임(Positive Feedback)
빙하가 녹을수록 지구는 더 많은 태양 복사에너지를 흡수하게 되어, 결과적으로 더 많은 빙하가 녹고, 이로 인해 온난화가 더욱 심화된다. 양의 되먹임 현상을 일으키는 요인은 다음과 같다.
알베도 효과 감소
알베도(Albedo)는 표면이 태양 복사에너지를 반사하는 능력을 나타내는 값으로, 빙하와 눈은 높은 알베도를 가지고 있어 태양 에너지를 많이 반사한다. 하지만 빙하와 눈이 녹으면, 그 자리에 어두운 바다나 지표면이 드러나게 되며, 이 표면은 태양 에너지를 훨씬 더 많이 흡수한다. 빙하는 태양 에너지를 약 80~90% 반사하지만, 물과 땅은 약 10~20%만 반사하고 나머지 에너지를 흡수한다. 이로 인해 지구로 흡수되는 에너지가 증가하면서 기온이 더욱 상승하고, 더 많은 빙하가 녹는 악순환이 발생하는 것이다.
이것을 순환고리로 표시하면, ① 빙하의 해빙解氷 ➛ ② 어두운 표면이 드러남 ➛ ③ 지표면의 태양에너지 흡수 증가 ➛ ④ 온난화 심화 ➛ ⑤ 다시 더 많은 빙하가 녹는 악순환이 된다.
해빙 최소 면적(Annual Arctic Sea Ice Minimum Area)의 변화
북극 해빙(Arctic sea ice)은 지구 기후 시스템에서 매우 민감한 지표 중 하나로, 특히 매년 여름 끝자락인 9월경에 관측되는 최소 해빙 면적(minimum extent)은 지구 온난화의 진행 속도를 보여주는 중요한 물리적 증거다.
이 시기는 여름 내내 태양 복사를 받아 얼음이 가장 많이 녹은 시점으로, 북극 해빙이 일 년 중 가장 작아지는 때다. Sea Ice Minimum Area는 여름철 북극 해빙이 가장 적을 때의 총 면적이고, 단위는 백만 km², 측정 시기는 매년 9월의 13~17일 사이다.
1979년부터 2022년까지의 인공위성 관측에 따르면, 북극 해빙 최소 면적은 지속적인 감소세를 보여왔다. 1979년 당시 북극 해빙의 최소 면적은 약 700만 km²에 달했지만, 21세기 들어 급격한 하락세가 시작되었고, 2007년에는 약 430만 km²로 큰 폭의 감소가 처음으로 관측되었다. 이후 2012년에는 사상 최저치인 339만 km²를 기록하였고, 이 수치는 이후에도 회복되지 않은 채 기후학에서 하나의 전환점으로 간주되었다.
위 표는 전반적으로 가파른 하향 추세를 보여준다. 1980년대~1990년대는 완만한 감소, 2000년대 이후는 급격한 하락 2012년은 최저점을 기록했다.
이러한 감소는 단순히 계절적 변동을 넘어서, 장기적인 기후 변화의 신호로 해석된다. 특히 북극은 지구 평균보다 2~4배 빠르게 온난화가 진행되고 있으며, 이를 북극 증폭(Arctic amplification)이라 부른다. 해빙이 줄어들수록 태양 에너지를 반사하던 흰 얼음(알베도 albedo) 효과가 사라지고, 어두운 바다가 드러나면서 더 많은 열을 흡수하게 되어 양의 되먹임(positive feedback)이 발생한다.
이로 인해 해빙은 더욱 빠르게 줄어들고, 해수 온도 상승과 기후 불균형은 가속된다. 2022년의 최소 해빙 면적은 약 467만 km²로, 과거 평균과 비교하면 35% 이상 감소한 수준이며, 이는 지구 기후 시스템의 안정성이 약화되고 있음을 시사한다. 또한 이 변화는 해수면 상승, 북반구 제트기류 변화, 극심한 기상이변과도 밀접한 연관이 있다.
요약하자면, 1979년부터 2022년까지의 위성 관측은 북극 해빙이 질량과 면적 모두에서 지속적으로 축소되고 있음을 명확히 보여준다. 이는 단순한 자연적 변동이 아니라, 지속적이고 가속화된 온난화의 반영이며, 향후 수십 년 안에 여름철 북극이 '무빙 상태(ice-free)'에 도달할 가능성도 배제할 수 없다.
결론적으로 북극 해빙 최소 면적의 연속적인 감소는 지구 온난화의 가장 직관적이면서도 심각한 결과 중 하나로, 이는 전 지구적 기후 시스템의 불균형을 초래하고 있으며, 인간 사회의 대응이 시급함을 과학적으로 경고하고 있다. Annual Arctic Sea Ice Minimum Area는 기후 변화의 주요 지표 중 하나다.
해빙海氷감소와 해양 온도 상승
북극과 남극의 해빙(海氷;바다 위에 떠 있는 얼음)이 녹으면, 태양 에너지가 더 많은 바다 표면에 흡수된다. 해빙은 바다의 표면을 덮어 바닷물의 온도가 오르는 것을 막아주지만, 해빙이 줄어들면 바다 표면이 직접적으로 태양 에너지를 흡수하게 된다. 결과적으로 바다의 수온이 상승하고, 이는 다시 해빙과 빙하의 더 빠른 해빙을 촉진한다.
해양은 대기 중의 이산화탄소(CO₂)를 흡수하는 중요한 역할을 하지만, 해양 온도가 상승하면 해양의 CO₂ 흡수 능력이 감소한다.2) 해양이 더 적은 양의 CO₂를 흡수하게 되면, 대기 중에 더 많은 CO₂가 남아 온난화를 가속화한다.
메탄 방출 증가
극지방과 고위도 지역의 영구동토(permafrost)가 지구온난화로 인해 녹으면서, 그 안에 갇혀 있던 메탄(CH₄)과 같은 강력한 온실가스가 대기 중으로 방출된다. 메탄은 CO₂보다 약 25배 더 강한 온실효과를 유발하는 기체로, 이 메탄이 대기 중으로 방출되면 온난화가 더욱 가속화된다. 영구동토가 해빙됨으로써 방출되는 메탄은 지구온난화를 더 심화시켜, 다시 더 많은 영구동토를 녹게 만드는 악순환을 형성한다.
이것을 순환 고리로 표시하면, ① 영구동토 해빙解氷—>② 메탄방출—> ③ 온실효과 강화 —> ④ 온난화 심화—>⑤ 다시 더 많은 영구동토 해빙解氷의 악순환이 된다.
해수면 상승
빙하와 빙상이 녹으면 그 물이 바다로 흘러가 해수면을 상승시킨다. 해수면 상승은 저지대 해안 지역과 섬 국가에 심각한 영향을 미치며, 인구 이동과 생태계 변화, 농업 피해를 초래한다. 또한 해수면 상승은 해양의 열 흡수 용량을 증가시키고, 이는 다시 바다 온도를 높여 더 많은 빙하를 녹게 만드는 되먹임 효과를 발생시킨다.
해양 순환 변화
빙하가 녹으면서 바다에 민물이 유입되고, 이로 인해 해양의 염분 농도와 밀도가 변화하여 이는 해양 온도를 상승시켜 해양 순환 시스템에 영향을 미칠 수 있다. 북대서양의 해류, 특히 대서양 메리디오날 오버턴 순환(AMOC)과 같은 중요한 해양 순환이 약화되면, 지구 기후 시스템에 중요한 영향을 미치며 기후 변화가 더욱 가속화될 수 있다.
지구 해양 심층 순환의 두 축: NADW와 AABW
지구 해양의 심층 순환(Thermohaline Circulation)은 물의 온도와 염분에 따라 밀도가 달라지는 성질을 기반으로, 해양 깊은 곳에서 일어나는 대규모 물질과 에너지의 흐름이다. 이 심층 순환의 핵심을 이루는 두 수괴가 바로 북대서양 심층수(NADW)와 남극 저층수(AABW)다. 이 흐름을 대서양 메리디오날 오버턴 순환(AMOC:Atlantic Meridional Overturning Circulation)위키피디아이라고 한다.
북대서양 심층수(NADW:North Atlantic Deep Water)
NADW는 북대서양의 고위도 해역—주로 그린란드해, 노르웨이해, 래브라도해 등—에서 형성된다. 이 지역의 해수는 겨울철 차가운 공기와 높은 증발량으로 인해 수온이 낮고 염분이 높아져 밀도가 증가한다. 이렇게 고밀도가 된 해수는 바다 표면에서 가라앉으며, 심층 해류를 형성해 남쪽으로 흐르기 시작한다. NADW는 대서양을 따라 남하하면서 심해를 채우며, 남대서양, 인도양, 일부 태평양에까지 퍼져 나간다.
NADW는 연간 수백억 톤의 열과 탄소, 영양염을 수송하며, 특히 유럽의 온난한 기후 유지에 결정적인 역할을 한다. 또한 이 해류는 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 해양으로 이송하여 탄소 순환에도 기여한다.
남극 저층수(AABW: Antarctic Bottom Water)
AABW는 남극 대륙을 둘러싼 해역, 특히 웨델해와 로스해에서 형성된다. 이 지역에서는 겨울철 해빙(海氷, sea ice)이 형성되며, 이 과정에서 주변 해수의 염분 농도가 높아지고 물은 더욱 차가워진다. 이로 인해 밀도가 매우 높은 해수가 생성되어 해저로 가라앉는다. 이렇게 형성된 AABW는 지구에서 가장 차갑고 무거운 해수로, 바다 가장 밑바닥을 따라 북쪽으로 천천히 이동한다.
적도 인근에서 태양 에너지를 많이 받은 따뜻하고 염분이 높은 표층수가 대서양을 따라 북쪽으로 이동한다. 이 물은 멕시코만류(Gulf Stream) 등의 표층 해류를 통해 유럽 방향으로 에너지를 전달하며 북상한다.
AABW는 전 세계의 대양 저층을 채우며, 특히 저산소 지역에 산소를 공급하고, 대기에서 격리된 탄소를 수천 년간 심해에 저장함으로써 기후 안정성에 기여한다. 최근에는 남극 빙붕 붕괴와 온난화로 인해 AABW의 형성량이 감소하고 있다는 경고가 이어지고 있다. 이는 해양 심층 순환의 둔화로 이어져, 전 지구적 기후 시스템에 중대한 영향을 미칠 수 있다.
심층 순환에서 상호작용
NADW와 AABW는 남대서양의 심해에서 마주치며 수직적으로 층위를 나눈다. NADW는 AABW보다 상대적으로 따뜻하고 염분이 높아 약 1,500~3,500m 깊이에서 흐르고, AABW는 더 차갑고 무거워 해저 3,500~5,000m 심층에서 흐른다. 이 두 수괴는 대서양 메리디오날 오버턴 순환(AMOC)의 두 기둥이자, 지구 탄소 순환과 기후 조절 기능의 핵심 요소다.
기후 변화와 수괴의 민감성
기후 변화는 이들 수괴의 형성 과정에 직접적인 영향을 미친다. 북극의 빙하가 녹으며 북대서양의 염분이 낮아지면 NADW의 침강이 약화되고, 이는 AMOC 전반의 둔화로 이어질 수 있다. 마찬가지로 남극 해빙이 감소하면 AABW의 형성도 방해받는다. 이러한 변화는 단지 해류 흐름의 변화에 그치지 않고, 전 지구 에너지 흐름, 탄소 저장 능력, 기후 패턴의 재편으로 이어질 수 있다.
이처럼 NADW와 AABW는 단순한 물의 흐름이 아니라, 지구 시스템을 지탱하는 심층의 에너지 흐름과 기후 안정 장치이다. 이들의 순환은 수백 년에서 수천 년의 시간 단위로 작동하며, 인간 활동에 의한 교란은 미래 기후에 장기적이고 심각한 결과를 가져올 수 있다.
양의 되먹임 현상을 요약하면, 해빙海氷과 빙하가 녹으면서 발생하는 되먹임 현상은 주로 알베도 효과 감소, 메탄 방출 증가, 해수면 상승 등으로 인해 지구온난화를 가속화한다. 이러한 되먹임 과정은 지구의 기후 변화를 더욱 빠르게 진행시키며, 빙하가 더 많이 녹을수록 기후 변화의 속도도 더욱 빨라지는 악순환이 발생하게 되는 것이다.
음의 되먹임(Negative Feedback)
물론 빙하가 녹으면 ‘음의 되먹임 현상(Negative Feedback)'도 발생한다. 음의 되먹임은 기후 변화를 완화시키는 작용을 한다. 즉, 기후 변화가 발생했을 때, 그 변화를 억제하는 방향으로 작동하여 기후 변화를 줄이거나 안정시키는 역할을 하는 것이다.
적외선의 증가
기온이 상승하면 지구에서 방출되는 장파 복사(적외선)의 양이 증가한다. 이 과정은 지구가 우주로 더 많은 열을 방출하게 하여, 지구 온난화를 일부 완화시킨다. 즉, 지구가 더워질수록 더 많은 복사에너지를 우주로 내보내는 음의 되먹임 현상이 일어난다.
식물의 광합성 증가
기온이 상승하면 식물의 광합성 활동이 활발해질 수 있으며, 이를 통해 대기 중의 이산화탄소(CO₂)를 더 많이 흡수할 수 있다. 이는 대기 중 CO₂ 농도를 줄이고 온난화 속도를 낮추는 효과가 있다. 다만, 식물의 탄소 흡수 능력은 기후변화의 속도가 너무 빠를 경우 한계에 다다를 수 있다는 데 문제가 있다.
수증기 증가
기온이 상승하면 더 많은 수증기가 대기 중으로 올라가 구름을 형성할 수 있다. 구름은 태양 복사에너지를 반사하여 지표면로 들어오는 에너지를 줄이는 역할을 한다. 이는 지구의 온난화를 완화시키는 역할을 할 수 있지만, 구름의 위치와 형태에 따라 온난화에 대한 영향은 복잡할 수 있다.
그럼에도 기온상승과 빙하가 녹으면서 발생하는 되먹임 현상은 복합적으로 작용하며, 현재 음의 되먹임 현상보다 양의 되먹임 현상이 온난화로 인한 기후변화에 더 많은 영향을 주고 있다.(끝)
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📌 주(註)
1) 되먹임 현상에 관한 설명은 아래 사이트 참고
IPCCSROCC 1장 – 기후 되먹임과 비선형성NASA기후 변화 요인
The Guardian 임계점 및 되먹임 효과 설명
greenium “한국 기후대응 성과 '꼴찌'↩
2) 이에 대해서는 『지구온난화 메커니즘 15: 해양 산성화』 편에서 설명할 것이다. ↩
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