10. 지구온난화: 에너지 흐름의 왜곡

산업화 이후 인간 활동으로 CO₂, CH₄, N₂O 등 온실가스가 급격히 증가하며 지구 평균 기온이 상승하고 있다.

그 결과 2024년 CO₂ 농도는 420ppm에 도달했고, 지구는 복사에너지 불균형 상태에 놓여 지구온난화는 가속화되고 있다.

지구온난화

이번 장은  본편 『지구온난화 메커니즘 2~9』 편에서 설명한 주요 내용을 종합하여, 지구온난화 메커니즘의 전체 흐름을 정리하고자 한다. 온실가스 농도 증가, 지구 평균 기온 상승, 자연적 온실효과와 인위적 온실효과의 증폭, 복사 강제력, 그리고 에너지 균형과 불균형을 지구 온난화 메커니즘의 연결 구조로 엮어낸다.

지구 기후는 수백만 년 동안 일정 범위에서 변동해 왔으며, 인간이 살아온 대부분의 시간 동안 평균 기온 14°C~15°C 범위 내에서 자연적 온실효과는 유지되었다. 인류 역사 대부분 동안, 특히 홀로세(약 11,700년 전부터 현재까지)의 기후는 비교적 안정적이었으며, 이 기간 동안의 이산화탄소(CO₂) 농도는 260ppm에서 280ppm 사이에서 유지되었다.

하지만 1750년 산업화 이후 인간 활동으로 인해 온실가스가 빠르게 배출되기 시작했다. 전력 생산, 교통수단, 산업 공정 등에서 석탄, 석유, 천연가스를 연소하면서 다량의 CO₂를 대기 중으로 연간 320~350억 톤을 배출했고, 이는 인간 활동으로 배출되는 온실가스 중 가장 큰 비율을 차지한다. 가축의 소화 과정에서 메탄(CH₄)이 배출되며, 쌀 경작이나 비료 사용 등에서도 메탄(CH₄)과 아산화질소(N₂O)가 방출된다. 삼림을 파괴하면 광합성을 통해 CO₂를 흡수할 수 있는 나무가 사라지기 때문에, CO₂가 더 많이 대기 중에 남게 된다. 또한, 벌채 과정1)에서도 저장된 CO₂가 방출된다. 이러한 토지 이용 변화에 의한 CO₂ 배출은 매년 약 40억 ~ 50억 톤이다.

인간 활동으로 배출된 CO₂, 메탄, 아산화질소 등은 대기 중에 축적되어 온실가스 농도가 증가한다. 산업활동과 자연적 요인에 의해 연간 배출된 CO₂ 약 380억 톤 중 40~45%(약 152-171억 톤)가 대기중에 남는다. 대기에 잔류된 CO₂는 지구 표면에서 방출된 열적외선를 포집하고 다시 지구로 재방출하여 지구의 기온을 상승시킨다. 이로 인해 온실효과가 강화되고, 지구 온도가 계속해서 올라간다. 특히 CO₂는 대기 중에서 수백 년 동안 잔류하며 장기적으로 지구 온난화에 큰 영향을 미친다.

이리하여 2024년 현재 대기중 CO₂ 농도는 불과 150년 만에 420ppm에 도달하게 되었다. 2023년 기준 산업화(1850~1900) 이전 대비 지구 평균 기온은 1.45°C 상승했다. 이는 자연적 온실효과가 강화된 인위적 온실효과의 결과로 복사에너지 불균형을 초래하였다.

🔖

지구는 태양으로부터 평균 340 W/m²의 복사에너지를 받으며, 이 중 약 29%는 반사되고, 나머지 240 W/m²는 대기와 지표에 흡수된다. 흡수된 에너지는 대기(23%)와 지표면(48%)에 분산된다. 지표에 도달한 에너지는 증발, 대류, 복사 등을 통해 다시 대기로 전달한다. 이로 인해 유입 에너지의 약 59%가 대기와 순환하면서 자연적인 온실효과를 형성한다.

이후 지표면의 온도가 상승함에 따라 스테판-볼츠만 법칙에 따라 지표면은 약 390 W/m²의 열적외선 복사 에너지를 대기로 방출하게 되며, 대기는 그 중 약 324~340 W/m²를 역방사(back radiation) 형태로 지표로 되돌린다. 이 과정은 복사<-->흡수<-->역방사의 순환을 통해 지구 표면 온도를 평균 약 14~15°C 수준에서 안정적으로 유지시켜 왔다.

이처럼 태양으로부터 유입된 에너지와 지구에서 방출되는 에너지의 균형, 즉 복사에너지 예산은 수백만 년 동안 기후를 안정시켜온 핵심 메커니즘이었다.

하지만 산업화 이후 대기 중 온실가스가 급증하면서 복사 에너지 균형에 균열이 생겼다. 대기로부터 역방사되는 에너지가 증가하면서 지표로 돌아오는 에너지가 많아졌고, 그 결과 복사 에너지 불균형이 초래된 것이다.

이러한 에너지 불균형을 설명하는 것이 바로 복사 강제력(Radiative Forcing)과 복사 에너지 불균형(Earth Energy Imbalance, EEI)이다. 

복사 강제력은 지구가 태양으로부터 받는 에너지와 방출하는 에너지 간의 변화를 유발하는 요인들을 설명하며, 이는 궁극적으로 지구의 에너지 불균형을 초래한다. 복사 에너지 불균형은 이러한 강제력의 결과로, 지구가 에너지를 축적하거나 방출하는 차이를 나타낸다. 

복사 강제력은 태양으로부터 지구로 유입되는 에너지와 지구에서 우주로 방출되는 에너지 간의 차이를 나타낸다. 이 값은 온실가스 증가나 태양 복사 변화 등 외부 요인으로 인해 발생하며, 이러한 변화가 지구의 에너지 흐름에 미치는 영향을 수치화한 것이다.

반면에, 복사에너지 불균형은 실제로 지구가 흡수하고 방출하는 에너지 간의 차이를 의미한다. 즉, 지구가 더 많은 에너지를 흡수하고 덜 방출하면 양의 에너지 불균형이 발생하여, 지구가 에너지를 축적하고 기온이 상승하게 된다. 에너지 불균형은 복사 강제력으로 인해 나타나는 결과다.

복사 강제력은 '에너지 불균형을 유발하는 힘'이며, 복사에너지 불균형은 '그 결과로 발생하는 에너지 축적 상태'다. 두 개념은 지구 기후 시스템의 변화를 이해하는 데 핵심적인 과학적 도구다.  이 둘의 선후관계를 명확히 이해하는 것이 기후 메커니즘 해석의 핵심이다.

복사 강제력과 에너지 불균형은 밀접하게 연결되어 있지만, 같은 개념은 아니다. 복사 강제력은 온실가스, 에어로졸 등 외부 요인들이 지구 에너지 흐름에 미치는 영향을 나타내며, 이론적으로 계산된 값이다. 반면, 복사에너지 불균형은 실제로 측정된 값으로, 지구가 얼마나 많은 에너지를 축적하고 있는지를 실질적으로 보여준다.

두 개념을 구분하는 중요한 이유는 시간적 차이와 물리적 차이에 있다. 복사 강제력은 대기 중 온실가스 농도의 변화와 같은 즉각적인 변화를 설명하지만, 에너지 불균형은 시간이 지나면서 지구 시스템이 에너지를 어떻게 축적하는지를 측정한다. 복사 강제력은 에너지가 얼마나 더 유입되거나 덜 나가는지를 계산하는 반면, 에너지 불균형은 그 결과로 지구에 실제로 얼마나 많은 에너지가 남아 있는지를 설명한다.

복사 강제력(RF)은 외부 요인들이 지구의 에너지 흐름을 얼마나 변화시키는지를 이론적으로 계산한 값으로 현재 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도 420ppm을 기준으로 산업화 이후 복사 강제력은 약 2.17W/m²이다.

2.17W/m²라는 값은 지구 표면의 단위 면적(m²)마다 초당 2.17와트의 에너지가 더 축적되고 있다는 의미다. 이 수치는 겉보기에 작아 보일 수 있지만, 지구 전체 면적으로 환산하면 이야기가 달라진다. 지구의 표면적은 약 5.1억 km², 즉 510조 m²이다. 이 면적에 2.17W/m²를 곱하면, 지구 전체에 약 1,100테라와트(TW)의 에너지가 추가로 유입되고 있는 셈이다. 이는 현재 전 세계 인류가 사용하는 총 전력의 50배 이상에 해당하는 엄청난 에너지 양이다.

반면 복사에너지 불균형(EEI)은 지구가 실제로 축적한 에너지의 양을 측정한 값으로서 산업화 이후 지구의 복사에너지 불균형(EEI)은 약 1.0 W/m²에 달한다. 이는 2005년 약 0.5 W/m²에서 2019년에는 약 1.0 W/m²로 두 배 가까이 증가한 수치이며, 현재 지구가 우주로 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수하고 있음을 의미한다. 즉, 지구는 지속적으로 에너지를 축적하고 있다는 뜻이다.

하지만 이러한 복사에너지 불균형은 곧바로 지구 기온의 상승으로 나타나지 않는다. 이는 흡수된 에너지의 약 90%가 해양에 저장되기 때문이다. 해양은 지구 표면의 약 71%를 덮고 있으며, 높은 비열을 지닌 물로 구성되어 있어 에너지를 천천히 축적하고 오랜 시간에 걸쳐 방출한다. 따라서 해양은 지구 시스템에서 가장 큰 열 저장소이며, 복사에너지 불균형에 따른 기온 상승을 수십 년 이상 지연시키는 완충 장치(buffer) 역할을 한다.

이와 같은 시간적 지연은 지구 시스템이 ‘현재 당장’보다는 ‘지속적으로’ 에너지를 축적하고 있다는 점을 의미하며, 당장은 지구 평균 기온이 비교적 안정적으로 보일 수 있다. 그러나 EEI가 양수인 상태가 지속되면, 결국 해양의 열포화로 인해 기온은 더욱 빠르게 상승하게 될 것이다. 이러한 에너지 축적은 앞으로 수십 년간 더 큰 기후 변화와 극단적 기상현상, 해수면 상승 등의 위험을 초래할 수 있다.

따라서 EEI는 단순히 기후 변화의 '현재'를 설명하는 지표가 아니라, 지구가 미래에 얼마나 큰 기후적 반응을 보일지를 가늠하는 열의 ‘미래 예약(thermal commitment)’을 의미하는 지표이기도 하다.

결국, 복사에너지 불균형은 지구가 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지 간의 차이를 만들어 기후 변화와 지구 온난화를 주도하는 중요한 요인으로 작용한다.

지구온난화는 기후변화, 생태계 변화 , 극지방 해빙과 해수면 상승 등 지구 기후 시스템 전반에 심각한 영향을 미치고 있다. 다음장에서 이를 설명할 것이다.(끝)

📌 주(註)

1) 벌채된 나무는 바로 이산화탄소(CO₂)를 배출하는 것은 아니다. 벌채는 여러 가지 방식으로 이산화탄소(CO₂)가 배출되거나 흡수 기능을 상실한다. 첫째, 벌채 후 남은 나무 부산물의 소각 또는 분해(부패)로 인해 상당한 양의 이산화탄소(CO₂)가 방출된다. 둘째, 벌채된 나무는 이산화탄소(CO₂)를 흡수하는 중요한 기능 상실하고, 셋째, 벌채 과정에서 나무가 뽑히거나 쓰러질 때, 토양 속에 있는 많은 양의 탄소가 대기 중으로 방출된다.

🔙 연재 순서 보기

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

22. 균형이 무너진 세계에서 우리는 무엇을 해야 하는가

이미지
끝마치며 NASA Earth Observatory/Blue Marble Next Generation 이 글은 지구 온난화의 주요 원인과 그로 인한 영향을 분석하고 설명하고자 한 작은 시도였다. 비전문가로서 이 복잡하고 방대한 주제에 도전한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니었지만, 지구온난화 때문에 겪는 변화들이 결코 남의 일이 아니며, 그 영향이 지금도 매일 내 일상에 미치고 있다는 '느낌'과 확신, 지구온난화를 바라보는 나의 물음, 그리고 그것을 이해하는 것만이 내 삶을 다시 성찰할 수 있고 미래를 얘기할 수 있다는 믿음이 이 글을 쓰게 된 동기였다. 비록 나는 나름의 최선을 다했으나 과학이라는 높고 단단한 벽 앞에 AI에게 물어본 들 내 머리는 죄없는 책상만 수십 번 들이박았을 뿐이다. 이해의 한계에 부딪힐 수밖에 없었고, 그래서 서술은 많이 부족했다. 관용의 미덕을 베풀기를. 그런만큼 이 글은 그 성격상 동료평가라는 과학검증의 절차를 거칠 수 없었고 따라서 학술적 용도로도 사용할 수 없음을 분명히 밝힌다. 어느 평범한 퇴직자가 그저 세상을 이해하고자, 황석영 작가가 어느 방송에 출연하여 말한 "박사 여덟을 합친 것보다 더 낫다”고 한 AI라는 문명의 이기를 활용한 과학 공부의 일환으로 쓴 글이기 때문이다. 따라서 이 글은 AI가 제공한 지구 온난화 관련 자료 사이트의 내용을 참조하고 요약하여 나름의 관점으로 구조를 만들고 논리를 구성한 '요약 결과물'이라고 할 수 있다. 우리는 지구의 기후 시스템이 얼마나 복잡하게 얽혀 있으며, 작은 변화(예를 들어 해양의 '이온 간 농도 비율의 평형 변화)'도 전체 시스템에 큰 파급 효과를 미칠 수 있음을 확인했다. 먼저, 온실가스가 지구 대기 중에서 어떻게 온실효과를 일으켜 지구의 온도를 상승시키는지 살펴보았다. 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O)와 같은 주요 온실가스들...
Read more »

21. 인간 활동과 탄소 순환 시스템의 불균형

이미지
인간 활동(화석연료 연소, 산림 벌채, 농업 등)은 자연 탄소 순환 시스템의 균형을 무너뜨려 대기 중 CO₂ 농도를 급격히 증가시켰고, 기후 변화와 지구 시스템의 불균형을 초래하고 있다. 자연적 탄소 흡수원(토양, 산림, 해양)은 인간 배출량을 감당하지 못하고 있으며, 지질학적 탄소 고정 메커니즘은 우리가 바라는 기후 변화 속도를 따라잡기에는 너무 느리다. >탄소 포집 및 저장(CCS)은 CO₂를 대기로 방출하기 전에 포집해 지하에 저장하는 기술로, 탄소 중립과 기후 변화 완화의 핵심 수단으로 주목받고 있다. 제7장 인간활동과 탄소 순환 시스템의 불균형 인간 활동은 지난 수세기 동안 지구의 탄소 순환 시스템에 큰 변화를 초래했으며, 이로 인해 탄소 순환 시스템의 불균형이 발생하고 있다. 산업화 이후 화석 연료의 연소, 산림 벌채, 농업 활동의 증가 등은 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도를 급격히 증가시켰으며, 이는 지구 기후 시스템에 심각한 영향을 미치고 있다. 자연적인 탄소 순환은 대기, 해양, 육상 생태계, 지질권 간에 균형을 유지하며 작동했으나, 인간 활동으로 인해 대기 중 탄소의 양이 과도하게 축적되면서 이 균형이 깨지고 있다. 화석 연료의 연소 인간 활동이 탄소 순환에 미치는 가장 큰 영향 중 하나는 화석 연료의 연소로 인한 탄소 배출이다. 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료는 수백만 년 동안 지각에 저장된 탄소의 저장소로, 인간이 이를 대량으로 연소하면서 대기 중으로 막대한 양의 CO₂가 방출되고 있다. 산업화 이전에는 대기 중 CO₂ 농도가 약 280ppm이었으나, 현재 이 농도는 420ppm을 넘어섰다. 이로 인해 산업화 이전 대비 2023년 기준 지구 기온이 약 1.45°C 상승했으며, 기후 변화가 가속화되고 있다. 화석 연료 연소는 대기 중 CO₂ 농도를 급격히 증가시켰고, 자연적인 탄소 순환 시스템이 이를 처리할 수...
Read more »

19. 해양·화학 메커니즘 ②: 바다에서 탄소는 어떻게 변하는가

이미지
해양은 대기 중 CO₂를 흡수해 중탄산 이온(HCO₃⁻)과 탄산 이온(CO₃²⁻)으로 전환하고, 이 탄산 이온은 해수 내 칼슘(Ca²⁺)·마그네슘(Mg²⁺)과 결합해 석회화 생물의 껍데기와 골격을 구성하는 탄산칼슘, 탄산마그네슘 광물(CaCO₃, MgCO₃)을 생성하며 탄소를 오래도록 고정한다. 하지만 산업화 이후 CO₂ 과잉 흡수로 수소 이온(H⁺)이 증가해 해양 pH는 낮아지고, 탄산염 이온 농도는 감소하고 중탄산염 이온 비율은 증가하여 이온 간 농도 비율이 불균형해졌다. 이온 간 농도불균형 변화는 해양 산성화, 석회화 생물의 생존 위협, 탄소 고정 능력 약화로 이어져 해양 탄소 순환 시스템의 안정성을 위협하고 있다. 해양·화학적 메커니즘 ② 이 이미지는 해양 산성화(Ocean Acidification)현상을 시각적으로 설명한 과학 인포그래픽이다. 상단 붉은색 화살표들은 대기 중의 이산화탄소(CO₂)가 바다로 흡수되는 과정을 나타낸다. CO₂는 인간 활동(화석연료 연소 등)으로 인해 대기 중 농도가 증가했다. CO₂의 약 25~30%가 바다로 흡수되면서 해수의 화학 조성이 변하게 된다. 즉, 산성화의 원인이 된다. 중앙에는 해양 산성화의 핵심 화학 반응이 표시되어 있다. CO₂ + H₂O + CO₃²⁻--> HCO₃⁻일반적으로 CO₂는 바닷물과 반응해 탄산(H₂CO₃)을 형성하고, 이는 중탄산이온(HCO₃⁻), 나아가 탄산이온(CO₃²⁻)으로 단계적으로 해리된다. 그러나 CO₂가 과도하게 증가하면, 기존의 탄산이온(CO₃²⁻)이 오히려 CO₂ 및 H₂O와 반응해 중탄산이온(HCO₃⁻)으로 되돌아가는 반응( CO₂ + H₂O + CO₃²⁻ → 2HCO₃⁻ )이 발생하여,탄산이온의 농도는 감소한다. 이 과정에서 중요한 점은 탄산이온이 줄어들면 조개, 산호, 해양 플랑크톤 등 석회화 생물의 껍데기 형성이 어려워진다는 것이다. 이미지 좌측의 녹색 원은 건강한 석회화 생물(예: 유공충, ...
Read more »