2. 온실가스: 투명하지만 강력한 덫
복사 평형을 유지하고 못해 지구 온난화의 원인이 되는 과정을 간략히 설명하고 향후 본격적으로 논의 될 에너지 예산과 온실효과, 그리고 복사 강제력 등 설명하기 위한 개념 정리다.
제1장 온실가스
온실가스(Greenhouse gases, GHG)는 지구의 대기 중에 존재하며 태양에서 오는 복사 에너지를 흡수하고 다시 방출하여 지구의 온도를 따뜻하게 유지하는 기체들을 말한다. 여기서 잠깐! 온실가스에 대한 추가적인 설명 전 복사 에너지에 대해 설명하고 넘어가자.
복사 에너지(radiative energy)란, 물질이 온도를 가지면 자연스럽게 방출하는 전자기파 형태의 에너지를 말한다. 이 에너지는 전도나 대류와 달리, 물질이 없어도 전달될 수 있는 유일한 에너지 형태로, 진공 상태에서도 전파된다. 이러한 특성 때문에 태양에서 지구로 약 1억 5천만 km에 걸쳐 전달되는 에너지는 복사 에너지에 의해 이루어진다.
태양은 표면 온도 약 5,800K1) 의 고온을 유지하며 주로 가시광선과 자외선, 근적외선의 형태로 강력한 복사 에너지를 방출한다. 지구는 태양 복사 에너지 중 약 30%를 구름, 대기,2) 지표면에서 반사시키고, 나머지 약 70%를 대기와 해양, 육지가 흡수한다. 그러나 지구는 이 에너지를 영원히 가둘 수 없다. 흡수된 에너지는 지표를 따뜻하게 만들고, 지구 시스템은 이 에너지를 다시 '복사'하여 우주로 방출한다. 이때 지구가 방출하는 복사 에너지는 파장이 긴 적외선 형태이며, 이를 '장파 복사(longwave radiation)'라고 한다.
이 과정에서 지구가 흡수한 태양 복사 에너지와 방출하는 적외선 복사 에너지의 양이 같아지면, 지구는 더 이상 따뜻해지지도, 차가워지지도 않고 복사 평형 상태에 도달하게 된다.
복사 평형이란, 지구나 별처럼 에너지를 흡수하고 방출하는 천체가 일정한 온도를 유지할 수 있는 상태, 곧 흡수하는 복사 에너지의 양과 방출하는 복사 에너지의 양이 서로 같아진 상태를 의미한다. 이는 물리학적으로 '에너지 균형'이 이루어진 상태이며, 이러한 조건이 충족될 때 해당 천체는 에너지를 축적하거나 손실하지 않고 안정적인 온도를 유지하게 된다.
이 복사 평형 상태는 이론적으로 매우 중요한 의미를 갖는다. 만약 지구에 대기가 없다면, 단순한 복사 에너지의 균형만으로 지구 표면의 평균 온도는 약 –18°C가 되어야 한다.3) 하지만 실제 지구의 평균 온도는 약 15°C로 훨씬 따뜻하다. 이는 대기 중의 온실기체가 지구에서 방출된 일부 적외선 복사를 흡수하고, 다시 지구 방향으로 재방출하는 과정으로 인해 복사 평형이 변경되기 때문이다.
💡 대기가 없다면 –18도라는 것은 어떤 의미일까?
지구의 평균 기온이 오늘날 약 14~15°C를 유지하고 있는 것은 대기와 그 속의 온실기체들이 태양으로부터 받은 복사 에너지를 지표에 가두어주는 ‘온실효과’ 덕분이다.
그런데 과학자들은 이러한 온실효과의 기여를 설명하기 위해 하나의 가상 시나리오를 자주 사용한다. 바로 “지구에 대기가 존재하지 않았다면 평균 기온은 약 –18°C였을 것”이라는 표현이다.
이때 말하는 “대기가 존재하지 않았다면”이라는 가정은 실제 지구의 역사적 상태를 뜻하는 것이 아니라, 오늘날의 태양 복사 조건과 지구의 반사율을 그대로 유지한 채, 대류, 구름, 온실기체 등 기후에 영향을 미치는 대기의 모든 물리적·화학적 작용을 제거한 이론적 조건을 의미한다. 즉, 복사 에너지의 유입과 방출만으로 온도가 결정되는 ‘복사 평형’ 모델로 지구를 바라보는 것이다.
이 모델에서 지구는 하나의 이상적인 흑체(『지구온난화 9: 복사 에너지 불균균형』 편, 주8)참조)처럼 태양 에너지를 흡수하고, 같은 양의 에너지를 장파 복사 형태로 우주로 방출하게 된다. 이러한 조건에서 계산된 지구의 평균 복사 온도는 약 255K, 즉 –18°C로 추정된다. 이는 스테판-볼츠만 법칙에 의해 증명되었다.(『지구온난화 메커니즘 6: 자연적 온실효과』주5) 참조)
비록 지구는 형성 초기부터 수십억 년에 걸쳐 다양한 형태의 대기를 가지고 있었지만, 그러한 대기들은 오늘날 우리가 경험하는 안정적이고 조절된 기후 체계가 아니었다. 초기의 대기는 태양 성운으로부터 포획한 수소(H₂)와 헬륨(He)으로 구성된 1차 대기였으나, 이는 지구의 중력이 충분히 강하지 못해 빠르게 우주로 날아갔다. 그 후 화산 활동을 통해 이산화탄소(CO₂), 수증기(H₂O), 질소(N₂) 등이 주성분인 2차 대기가 형성되었지만, 이 역시 현재와 같은 온실효과의 정교한 작동을 보장하지는 못했다.
우리가 흔히 말하는 ‘대기의 존재’란 단순히 지구에 기체가 있다는 사실을 의미하지 않는다. 그것은 수십억 년에 걸친 생물학적·지질학적·화학적 진화를 통해 형성된, 오늘날의 복합적 기후 조절 시스템을 뜻한다. 이 시스템은 단지 공기의 조성만이 아니라, 온실기체에 의한 복사 에너지의 흡수와 재방출, 대기와 해류의 열 분산 작용, 오존층에 의한 자외선 차단 기능, 수증기와 구름을 통한 에너지 순환과 반사 등을 말한다.
이처럼 ‘대기’는 물리적 기체의 집합을 넘어선 복합적인 기후 조절 메커니즘이며, 지구가 오늘날과 같은 평균기온(약 15°C)을 유지할 수 있는 것도 이 시스템이 작동하고 있기 때문이다.
따라서 과학자들이 "대기가 존재하지 않았다면 지구의 평균기온은 –18°C였을 것"이라고 말할 때, 이는 단순히 기체가 없었다는 의미가 아니라, 온실기체를 포함한 현재의 지구 시스템이 작동하지 않는 가상의 상태를 가리키는 것이다. 다시 말해, 복사 에너지의 조절, 기후의 순환, 생명체와의 상호작용이 배제된 조건을 전제로 한 이론적 비교일 뿐,실제 과거를 재현하는 것이 아니라, 대기의 역할을 이해하기 위한 과학적 모델링 도구이자 비교 표준선이다.
이 가정을 통해 우리는 오늘날 기후 시스템이 얼마나 정교한 균형 위에 존재하는지를 깨달을 수 있으며, 인간 활동에 의해 온실기체 농도가 변화할 때 이 균형이 어떻게 흔들리는지를 예측하는 데 과학적 기반을 제공한다.
복사 에너지의 유입과 방출 과정은 대기와 온실기체의 작용을 통해 에너지 흐름이 복잡하게 조절된다. 예를 들어 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 수증기(H₂O) 등 온실기체는 지표에서 방출된 장파 복사(적외선) 에너지를 일부 흡수하고, 다시 다양한 방향으로 역방사한다. 그 결과 일부 에너지는 다시 지표로 돌아오게 되며, 이로 인해 지구의 표면 온도가 단순한 복사 평형보다 더 따뜻하게 유지되는 현상이 나타나는 것이다.4)
"복사 평형보다 더 따뜻"한 현상이 우리가 흔히 말하는 온실효과(greenhouse effect)5)다. 그리고 그 기저에는 대기 중 복사 에너지의 흡수와 방출, 그리고 역방사라는 물리적 상호작용이 작동하고 있는 것이다.
복사 에너지는 이러한 기후 시스템에서 역할 외에도, 전체적인 에너지 흐름을 정량적으로 설명하는 데 ‘복사 에너지 예산(Earth's radiative energy budget)’이라는 개념으로 다루어진다. 이는 지구가 받는 태양 복사 에너지의 총량과, 지구 시스템이 다시 우주로 방출하는 복사 에너지의 총량 사이의 균형을 의미한다. 이 균형이 이루어져 있을 때, 지구는 장기적으로 안정된 평균 기온을 유지할 수 있다.
그러나 오늘날 지구는 더 이상 복사 평형 상태에 있지 않다. 현재 지구는 방출되는 복사 에너지보다 흡수되는 복사 에너지가 더 많은 상태, 즉 복사 에너지 불균형(radiative imbalance) 상태에 놓여 있다. 이 상태가 지속되면 지구는 흡수한 추가 에너지를 열로 더 축적하게 되고, 이로 인해 여러가지 기후변화 현상(극지방의 해빙, 기후 패턴의 변화 등) 기후변화 현상이 나타난다. 이러한 복사 불균형은 지구온난화(global warming)의 가장 핵심적인 물리적 원인 중 하나다.
복사 에너지 불균형을 야기하는 직접적인 주범은 온실가스다. 대기 중 이 기체들의 농도가 증가할수록, 지표면으로 되돌아오는 복사 에너지의 양도 함께 증가하게 된다. 이는 지구 시스템 내부에 머무는 에너지를 증가시키고, 궁극적으로 지구의 평균 기온을 지속적으로 상승시키는 결과를 낳는다. 따라서 온실가스의 배출량을 줄이는 것은, 지구 시스템을 다시 복사 평형 상태로 되돌리기 위한 가장 중요한 대응 전략이 된다.
대기 중 온실가스6)는 다음과 같으며 여러 가지 원천에서 발생한다.
첫째, 이산화탄소(CO₂, 그림 왼쪽): 주로 화석 연료의 연소와 산업 활동을 통해 배출되며, 이는 인간 활동에서 가장 큰 온실가스 배출원이다.
둘째, 메탄(CH₄, 그림 오른쪽): 주로 농업(특히 가축 사육)과 쓰레기 매립지, 그리고 화석 연료 채굴 과정에서 발생한다.
셋째, 수증기(H₂O): 자연적인 현상에 의해 대기 중에 존재하며, 이는 다른 온실가스와 달리 자연적인 기후 시스템에 의해 조절된다.
넷째, 오존(O₃), 아산화질소(N₂O): 산업 및 농업 활동에서 발생한다.
온실가스들은 지구의 자연적 온실효과를 유지함으로써, 지구를 적당한 온도로 유지해왔다. 이 현상 덕분에 지구는 생명체가 살 수 있는 온도를 유지할 수 있다. CO₂, 메탄(CH₄), 수증기(H₂O), 오존(O₃), 그리고 아산화질소(N₂O)와 같은 온실가스들이 자연적으로 대기 중에 존재하며, 이들이 지구의 온도를 조절하는 역할을 한다. 온실효과는 지구가 너무 차갑거나 뜨거워지지 않도록 조절하는 자연의 균형이다.
그러나 모든 온실가스가 지구온난화에 동일한 영향을 미치는 것은 아니다. 예를 들어, 수증기는 대기에서 짧은 시간 동안 머무르지만, 강력한 온실효과를 발휘해 기후 시스템에 중요한 영향을 미친다. 이와 달리 메탄과 아산화질소와 같은 기체는 대기 중 농도가 상대적으로 낮아 온난화에 미치는 영향은 크지 않다.
가장 중요한 온실가스 중 하나는 CO₂다. CO₂는 대기 중에서 가장 높은 농도를 가지며, 지표면에서 반사된 적외선을 포집하는 능력이 뛰어나다. 이로 인해 지구가 방출하는 복사 에너지(장파 복사)가 우주로 쉽게 빠져나가지 못하고 대기 중에 갇히게 된다. 이는 지구의 온도를 상승시키는 주요 요인으로 작용한다. 특히 1750년 이후 산업화로 인한 화석연료 급증은 대기 중 이산화탄소 농도를 급격히 증가시키면서 지구의 기온을 상승시켜 지구온난화를 일으켰다. (끝)
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📌 주(註)
1) 5800K(Kelvin)는 섭씨(Celsius)로 변환하면 T(℃)=T(K)−273.15, 즉,5800𝐾−273.15=5526.85℃가 된다. 5800K−273.15=5526.85℃. 이 온도는 태양광의 주된 복사 파장이 가시광선 영역(특히 노란색과 녹색)에 해당한다. 이는 태양이 우리 눈에 밝은 흰빛 혹은 노란빛으로 보이는 이유다.↩
2) 물리적으로 지구의 대기권은 명확한 경계선을 갖지 않는다. 대기는 지표면에서부터 위로 갈수록 기체 밀도가 점차 감소하며, 뚜렷한 단절 없이 우주 공간으로 이어지는 연속적인 층 구조를 형성한다. 이로 인해 대기의 ‘끝’을 정의하는 것은 단순한 과학적 기술을 넘어, 관측 목적이나 법적 기준, 실용적 필요에 따라 달라진다. 바로 이 모호한 경계 개념을 지칭하는 대표적인 용어가 TOA(Top of Atmosphere)이다.
지구 대기는 일반적으로 다섯 개의 주요 층으로 구분된다. 가장 아래층인 대류권은 지표면에서 약 10~~12km 상공까지 뻗어 있으며, 대기 질량의 70~~80%가 집중되어 있다. 날씨, 구름, 비와 같은 대부분의 기상 현상은 이 층에서 발생한다. 그 위의 성층권은 약 50km까지 이어지며, 오존층이 포함되어 자외선을 흡수함으로써 지구 생명체를 보호하는 역할을 한다. 중간권은 약 85km 고도까지 확장되며, 유성이 대기와 마찰로 불타는 층이기도 하다. 그 위의 열권은 수백 km까지 뻗어 있으며, 태양 복사 에너지에 의해 기온이 매우 높게 올라가지만 공기 밀도가 워낙 낮아 체감 온도는 극히 낮다. 마지막으로 외기권(exosphere)은 지구 대기의 가장 바깥층으로, 수백에서 수천 킬로미터 고도에 걸쳐 있으며, 기체 입자들이 거의 충돌 없이 우주로 탈출할 수 있을 정도로 희박하다.
하지만 외기권조차도 대기의 완전한 끝이라고는 할 수 없다. 그 이유는 대기라는 것은 단절이 아닌 연속적 희박화의 과정이기 때문이다. 실제로 고도 100km 이상의 상층 대기에서는 공기 분자의 수가 급감하며, 우주 공간과 점차 섞여가는 과도 지대가 형성된다. 이처럼 대기는 **경계를 딱 잘라 정할 수 없으며**, 우리가 말하는 ‘대기권의 끝’이란 실은 관측과 분석 목적에 따라 정한 하나의 참조면(reference level)일 뿐이다.
이때 등장하는 개념이 TOA이다. TOA는 'Top of Atmosphere', 즉 ‘대기 상단’을 뜻하며, 특정 맥락에서 지구 대기의 상한을 가리키는 용어로 사용된다. 그러나 TOA의 위치는 고정된 물리적 좌표가 아니라, 기능적 정의에 따라 달라진다.
* 과학적·복사 에너지 예산의 관점에서 TOA는 태양 복사 에너지가 지구 시스템에 유입되고, 지구 복사 에너지가 우주로 방출되는 경계면이다. 일반적으로는 열권 상부, 즉 수십 km 이상의 고도에서 복사 흐름이 안정화된 영역을 TOA로 간주한다. 위성 관측이나 복사 강제력 계산에서도 이 기준이 자주 사용된다.
* 법률적·항공우주적 관점에서 TOA는 국제항공연맹(FAI)이 정의한 소위 ‘카르만선(Kármán line, 헝가리 물리학자 이름을 따서 붙임)’, 즉 *표로부터 100km 상공이 기준이 된다. 이 선은 비행기가 더 이상 양력을 얻기 어려운 지점으로, 우주 공간과 대기를 구분하는 법적 경계로 활용된다.
* 대기 구조학적 관점에서는 외기권 상부, 즉 수백\~수천 km 고도까지 대기 성분이 미약하게 존재하는 영역도 포함하여 TOA를 이해할 수 있다. 하지만 이 영역은 실질적으로 기체의 농도가 거의 0에 가까워 ‘대기로서의 기능’을 상실한 상태에 가깝다.
이처럼 TOA는 고정된 자연 경계가 아니라, 대기와 우주의 전이 구간에서 설정된 개념적 경계이며, 연구 목적이나 기술적 필요에 따라 서로 다른 정의가 사용된다. 복사 에너지 계산에서는 복사 흐름의 안정 지점이 기준이 되며, 우주항공 법제에서는 운영과 관할의 구분을 위한 실용적 선이 TOA가 된다. 결국 "대기의 끝", 즉 TOA란 본질적으로 자연의 단절이 아닌 인간이 설정한 해석의 경계인 것이다.위키피디아↩
3) 스테판-볼츠만 법칙을 말하는 것으로 나중에 본편 『지구온난화 메커니즘6:자연적 온실효과』 편 주5)에서 설명할 것이다.↩
4) 복사 에너지와 복사 평형에 대한 설명은 아래 사이트 참고
NASA NASA Earth Observatory – “Energy Balance” - 복사 에너지의 유입과 방출을 TOA(아래 주5) 참조)·대기·지표 단계로 구분하고, 위성(CERES) 기반 수치·인포그래픽을 제공IPCC IPCC AR6 WG I – Chapter 7: “The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity”- 복사 강제력·피드백·기후 민감도의 최근 수치를 제시하며, PDF(Chapter 7) 다운로드 가능
UCAR UCAR - “Radiation”- 복사 에너지 예산 다이어그램(기후와 지구 에너지 예산, 지구-대기 에너지 균형, 에너지 예산, 온실 효과, 지구 에너지 추적(엘니뇨에서 지구 온난화까지), 지구의 에너지 예산에 대한 교육 영상) ↩
5) “온실효과"라는 용어는 대기 중 특정 기체들이 지구 표면에서 방출되는 열(적외선)을 흡수하고 다시 방출하여 지구의 온도를 유지시키는 과정을 유리로 된 온실이 열을 가두는 방식과 유사하다고 해서 붙인 개념이다.(본편 『지구온난화 메커니즘6: 자연적 온실효과』 편에서 자세히 설명) ↩
6)NOAA 대기 중 존재하는 온실스의 종류와 구성비, 그리고 온실효과, 탄소순환 대해서 기본적인 개념을 설명하고 있다 ↩
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