제2장
대기 중 이산화탄소($\text{CO}_2$) 농도
https://www.co2.earth/daily-co2에서 현재 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도의 일일 측정값($\text{ppm}$)을 확인할 수 있다.
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)
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"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.$\text{CO}_2$ 농도 측정 방법은 적외선 가스 분석기(IRGA) 및 가스 크로마토그래피(GC) 와 같은 고정밀 기기로 측정한다.https://www.co2.earth/daily-co2
마우나로아 천문대https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/monthly.html에서 제공하는 데이터를 받아 매일 공지하는 이산화탄소 농도는 $2024. 10. 3.$ 현재 $421.88 \text{ ppm}$이다. 전년 동일 대비 $3.51 \text{ ppm}$($418.37 \text{ ppm}$)이 증가하였다. 아래 사이트는 그 변화량을 '속보' 형식으로 보여준다.
https://www.noaa.gov/news-release/during-year-of-extremes-carbon-dioxide-levels-surge-faster-than-ever👉 $2024$년 $\text{CO}_2$ 증가 속도가 역대 최고치를 기록했다는 공식 보도자료
https://research.noaa.gov/2024/06/28/understanding-the-basics-of-carbon-dioxide👉 $\text{CO}_2$의 과학적 특성과 관측 방법(IRGA·GC 포함), 장기 추세를 정리
https://www.co2.earth/daily-co2 👉 실시간 일평균 $\text{CO}_2$ 농도 매일 업데이트↩
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.
https://www.ipcc.ch/report/ar3/wg1/the-carbon-cycle-and-atmospheric-carbon-dioxide 👉 $1 \text{ ppm CO}_2 \approx 2.13 \text{ Gt C}(\approx 7.8 \text{ Gt CO}_2)$ 변환값과 대기‧해양‧육상 탄소 저장량을 개괄
https://skepticalscience.com 👉 대기 중 $\text{CO}_2$ 상승이 기후에 미치는 영향을 설명하며, $\text{ppm} \leftrightarrow \text{Gt C}$ 변환과 누적 배출량 개념을 소개 ↩
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.
이후 기후 변화의 진행 정도를 표현할 때는, 이 $13.45^{\circ}\text{C}$를 기준선으로 삼아 ‘기온 이상치(temperature anomaly)’, 즉 특정 시기의 평균 기온이 기준선보다 얼마나 상승했는지를 상대적으로 표시한다. 예컨대, $2023$년 지구 평균 기온은 약 $14.90^{\circ}\text{C}$로 관측되었으며, 이는 산업화 이전 대비 $+1.45^{\circ}\text{C}$ 상승한 값이다.
https://wmo.int/news/media-centre/climate-change-indicators-reached-record-levels-2023-wmo↩
4) "WMO 분석에 따르면 지난해 전 지구 연평균 온도는 산업화 이전 수준($1850 \sim 1900$년)과 대비해 $1.45$도($\pm 0.12$도 오차) 상승..."
https://www.khan.co.kr/environment/climate/article/202401130100001↩
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. 이러한 다섯 가지 요소는 서로 상호작용하여 에너지 흐름, 물질 순환 등을 조절하고, 그 결과로 지역적 및 전 지구적 기후 패턴이 형성된다. 기후 시스템은 매우 복잡하고, 시간이 지남에 따라 자연적인 요인(태양열 복사 변화, 화산활동, 엘니뇨와 라니냐 현상)과 인위적인 요인(온실가스 배출 증가, 토지 이용 변화, 에어로졸 배출 등)에 의해 변화할 수 있다.
https://www.ipcc.ch/srocc/chapter/glossary
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