제2장
대기 중 $\text{CO}_2$ 농도
(출처:
NASA's Jet Propulsion Laboratory
산업화 이후 $\text{CO}_2$ 증가와 기온 상승
산업화 이후 화석연료 사용량의 급격한 증가로 인해 $2024$년 기준 대기 중 이산화탄소($\text{CO}_2$)의 농도는 약 $420 \text{ ppm}$1)에 이르렀다. 절대량으로 환산하면 약 $32,000$억 톤($3$조 $2$천억 톤)2)이다. 이는 산업화 이전 약 $280 \text{ ppm}$보다 크게 증가한 수치다. 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도는 $2$만 년 전 마지막 빙하기 동안에는 약 $180 \text{ ppm}$ 정도였다. 하지만 빙하기가 끝나고 기후가 따뜻해지면서 $\text{CO}_2$ 농도는 다시 서서히 증가하여 홀로세 동안 약 $280 \text{ ppm}$에 도달했다. 홀로세(Holocene)는 최후의 빙하기가 끝나는 약 $11,700$년 전부터 현재까지 이어지고 있는 지질 시대를 말하며 비교적 따뜻한 기후로 전환되면서 시작되었다. 현재 우리가 살고 있는 시기도 홀로세에 속한다.
대기 중 $\text{CO}_2$ 농도 약 $280 \text{ ppm}$은 지난 $1$만 년 간, 즉 홀로세(Holocene) 동안 안정적으로 유지되었지만 $1750$년대 이후 화석 연료의 연소와 농업, 벌채 등의 인간 활동으로 인해 꾸준히 증가하여 오늘날 약 $420 \text{ ppm}$에 도달하였다. 이 농도는 지구의 기후 변화에 큰 영향을 미치고 있으며, 장기적으로 해수면 상승과 기온 상승을 유발할 가능성이 크다.
$\text{CO}_2$ 배출량
그럼에도 인간의 활동을 비롯한 여러 가지 이유로 현재 전 세계적으로 매년 약 $360$억 톤에서 $400$억 톤의 $\text{CO}_2$가 배출되고 있다. $\text{CO}_2$ 배출은 주로 화석 연료의 연소, 산업 활동, 삼림 벌채 등에서 발생한다. 화석 연료와 산업 활동에서의 배출은 매년 약 $320$억 $\sim$ $350$억 톤이고, 토지 이용 변화(예: 삼림 벌채 등)에 의한 배출은 매년 약 $40$억 $\sim$ $50$억 톤이다.
배출된 $\text{CO}_2$는 해양에서 약 $25 \sim 30\%$(약 $95 \sim 114$억 톤), 육상 생태계(예: 숲, 토양)가 약 $30\%$(약 $114$억 톤)에서 흡수하고 나머지 $40 \sim 45\%$(약 $152 \sim 171$억 톤) 정도는 대기 중에 남아있다.
평균 기온 상승과 임계점
이로 인해 $2023$년 기준 지구 평균기온은 산업화 이전($1850$년 $\sim 1900$년)3) 대비 약 $1.45^{\circ}\text{C}$ 상승했다. $2023$년 지구의 평균기온은 $14.9^{\circ}\text{C}$이며 산업화 이전은 과학자들이 보정한 값으로 평균 $13.45^{\circ}\text{C}$다. 하지만 상승온도 $1.45^{\circ}\text{C}$는 표본오차 $\pm 0.12$를 감안하면 최대 $1.57^{\circ}\text{C}$ 상승한 것으로 봐야 한다.4) 과학자들은 $1.5^{\circ}\text{C}$ 이상의 온도 상승이 기후변화의 위험한 임계점이 될 수 있다고 경고하고 있다.
목표 농도 350ppm
다수의 기후 전문가들은 지구 평균기온 상승을 억제하고 기후를 안정화하기 위한 $\text{CO}_2$ 농도를 $350 \text{ ppm}$ 이하로 유지해야 한다고 주장하고 있다. 이는 우리가 이미 지나온 상태로, 기후 변화가 가속화되기 전으로 돌아가려면 이 수준으로 낮추는 것이 필요하다는 의미이다.
$350 \text{ ppm}$이라는 목표는 전 세계적인 기온 상승을 $1.5^{\circ}\text{C}$ 이하로 제한하기 위한 수준이다. 이 농도는 기후 변화의 극단적인 영향(해수면 상승, 극한 기후, 생태계 파괴 등)을 받지 않을 가능성을 말한다.
$1.5^{\circ}\text{C}$ 목표를 달성하기 위해서는 $\text{CO}_2$ 농도를 현재보다 빠르게 줄여야 한다. 이를 위해서는, $2030$년까지 $\text{CO}_2$ 배출량을 현재 수준에서 절반으로 줄이고, $2050$년까지 넷 제로(net zero), 즉 $\text{CO}_2$ 순 배출량을 $0$으로 만드는 것이 필요하다. 이는 대기 중에 남아있는 $\text{CO}_2$를 흡수하기 위한 자연적 또는 인위적인 방법(예: 대규모 재조림, 탄소 포집 기술 등)을 포함한다.
이처럼 대기 중 온실가스 농도가 더 이상 증가하지 않도록 억제하는 것은 지구 온도 상승을 멈추는 데 필수적인 과정이다. $\text{CO}_2$의 배출량이 흡수량과 균형을 이루는 탄소 중립 상태에 도달해야 하며, 그 후 $\text{CO}_2$ 농도를 지속적으로 줄여 $350 \text{ ppm}$ 이하로 유지해야 한다.
하지만 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도를 $350 \text{ ppm}$ 이하로 줄이지 못하고 계속해서 $\text{CO}_2$ 농도가 증가하면, 대기가 더 많은 열을 가두고 지구의 기후 시스템5)에 직접적인 영향을 미친다. 이로 인해 지구는 더 많은 에너지를 흡수하게 되고, 기온 상승이 가속화된다.
이러한 지구의 기온 상승은 온실효과에 의해 설명되며, 이에 대해 제3장에서 설명할 것이다.(끝)
이전 글 👉 ② 온실가스 - 투명하지만 강력한 덫
다음 글 👉 ④ 복사 에너지 예산 - 기온의 잔화와 에너지 흐름의 균형
"이 연재는 동심헌(童心軒)의 지구온난화 메커니즘 기획 시리즈입니다."
📌 주(註)
1) $\text{ppm}$은 parts per million의 약자로, 백만분율을 의미한다. 이는 특정 물질이 전체 중에서 어느 정도의 농도를 차지하고 있는지를 나타내는 농도 단위다. 주로 대기 중의 가스 농도나 용액 속의 물질 농도를 표현할 때 사용된다. 예를 들어, 대기 중의 이산화탄소($\text{CO}_2$) 농도가 $420 \text{ ppm}$이라면, 이는 $100$만 개의 공기 분자 중 $420$개가 이산화탄소 분자라는 뜻이다.
$\text{ppm}$은 말 그대로 '백만 개 중에 몇 개인가"를 나타내는 비율 단위다. 즉, 절대적인 개수나 공간의 크기를 직접 의미하는 것이 아니라, 어떤 혼합물 안에 특정 성분이 얼마나 섞여 있는지를 나타내는 상대적 비율이다.대기 중 이산화탄소($\text{CO}_2$)가 $420 \text{ ppm}$이라는 말은, 지구 대기를 이루는 모든 기체 분자들—주로 질소($\text{N}_2$), 산소($\text{O}_2$), 아르곤($\text{Ar}$)—그 총합 속에서 $100$만 개의 기체 분자가 있다면 그중 약 $420$개가 이산화탄소 분자라는 뜻이다.
참고로 대기는 질소 ($\text{N}_2$, $78.08\%$, $780,800 \text{ ppm}$), 산소(($\text{O}_2$, $20.95\%$ $209,500 \text{ ppm}$), 아르곤 ($\text{Ar}$, $0.93\%$ $9,300 \text{ ppm}$), 이산화탄소 ($\text{CO}_2$, 약 $0.042\%$, $420 \text{ ppm}$) 등 네 가지로 이루어져 있으며 이들 혼합기체 전체가 분모에 해당된다. 여기서 중요한 점은, 이 혼합기체 “$100$만 개”가 대기 $1 \text{ m}^3$ 안의 $100$만 개를 뜻하는 것도 아니고, 지구 전체 대기의 총합을 말하는 것도 아니라는 것이다.
$\text{ppm}$은 공간의 크기와 무관하게 적용되는 비율 단위다. 즉, $1$리터의 대기이든, $1$세제곱미터든, 또는 지구 전체 대기든, 어느 크기의 공기 속에서도 이산화탄소가 전체 기체 분자의 $100$만 분의 $420$을 차지하고 있다면, 그 농도는 $420 \text{ ppm}$인 것이다. 비유를 들자면 “된장국에 소금이 $1 \text{ ppm}$ 들어 있다”는 말은 국 그릇이 크든 작든, 국물 $1$백만 숟갈 중 $1$숟갈이 소금물이라는 뜻이다. 국이 $1 \text{ L}$든 $1,000 \text{ L}$든 $\text{ppm}$은 동일한 혼합비다. 이는 기체들이 서로 잘 섞여 있는 혼합기체라는 전제에서 가능한 이야기다.
대기는 자연적으로 잘 혼합되어 있기 때문에, 고도나 지역에 따라 약간의 편차는 있을 수 있으나, 기본적으로 전 지구 어디서나 $\text{ppm}$ 단위의 의미는 동일하게 적용된다.
CO2.Earth
마우나로아 천문대
NOAA
NOAA 리서치
CO2.Earth
2) IPCC 보고서와 기타 보고서에 따르면, 대기 중 이산화탄소($\text{CO}_2$) 농도
$1 \text{ ppm}$은 약 $2.13$ 기가톤($\text{Gt}$)의 탄소 또는 약 $7.82$ 기가톤의
$\text{CO}_2$에 해당한다고 명시되어 있다. 이 변환 값은 기후 연구에서 널리
사용되며, 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도를 질량으로 변환하는 데 활용된다.
예를 들어, 현재 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도가 약 $420 \text{ ppm}$일 때, 대기
중 $\text{CO}_2$의 총량을 계산하면 $420 \times 78$억 톤 = $32,760$억 톤이다.
$\text{CO}_2$ 분자에서 탄소 원자의 비중은 $1/4$ 정도($27.3\%$) 된다.
$\text{CO}_2$ 농도가 $1 \text{ ppm}$이면 대기 중 탄소는 $2.12$기가톤이다.
대략의 계산으로 현재 대기에는 $8,774$억 톤의 탄소가 포함돼 있다고 보면 된다.
관련 사이트는 다음과 같다.
IPCC
skepticalscience
3) 기후과학에서 온실가스 농도의 증가를 설명할 때는 일반적으로 $1750$년을 기준으로 삼는다. 이 시기는 산업혁명이 본격화되기 직전으로, 대기 중 이산화탄소와 메탄, 아산화질소의 농도가 매우 안정적이었던 시기이며, 남극 빙하 코어를 통해 과학적으로 정밀하게 복원할 수 있다. 이에 따라 IPCC와 NASA 등은 복사 강제력의 기준선을 $1750$년으로 설정하여, 이후 인위적 활동이 초래한 대기 성분의 변화량을 정량화한다.
반면, 지구 평균 기온이 실제로 얼마나 상승했는지를 평가하기 위한 기준선은 $1850$년부터 $1900$년까지의 평균 기온이다. 이 시기는 전 세계적으로 온도계가 비교적 널리 사용되기 시작했으며, 기온 관측 자료가 지역별로 확보되고, 국제적으로 표준화된 기록들이 존재하기 때문이다. 따라서 기후변화의 정량적 평가에서는 두 기준 연도가 각각 다르게 사용되며, 이는 자료의 신뢰성과 과학적 정합성에 기반한 합리적 구분이다.
따라서 지구 평균 기온이 얼마나 올랐나?라고 했을 때 ‘산업화 이전’의 기준은 일반적으로 $1850$년부터 $1900$년까지의 $50$년간이다. 이 기간의 전 지구 평균 지표 기온(global mean surface temperature) 약 $13.45^{\circ}\text{C}$로 추정된다. 이 수치는 NASA GISTEMP, NOAA, IPCC 등 주요 기후 관측기관들이 공통적으로 사용하는 기준값이다.
세계기상기구(WMO)
경향신문
5) 기후 시스템은 지구의 기후를 형성하고 변화시키는 여러 구성 요소들의 복합적인 상호작용을 의미한다. 이 시스템은 다섯 가지 주요 구성 요소(대기, 해양, 육지, 빙하와 눈, 생물권)로 이루어져 있으며, 이들 사이의 상호작용을 통해 지구의 기후가 결정된다.