이산화탄소 배출과 기상 변화

지구상의 모든 생명체는 자연이 공급하는 제한된 양의 기초 원소인 탄소, 질소, 산소, 물 등에 의존하여 살아가기 때문에 이들 원소는 끊임없이 재순환 사용되어야 한다. 이러한 과정을 '원소의 생물에 의한 지질화학적 순환'이라고 부르는데, 인간이 이러한 순환의 균형을 무너뜨리고 있다.

이들 원소 중 탄소의 대부분은 대기권, 생물권(식물과 토양), 그리고 해양권에 이산화탄소 형태로 존재하고 있다. 생물권과 대기권이 보유하고 있는 이산화탄소는 각각 2,000억 톤과 700억 톤이다. 특히 해양권은 용존 이산화탄소의 보고로서 생물권과 대기권을 합친 양의 14배 이상이다. 뿐만 아니라 해양권에는 엄청난 양의 이산화탄소가 다른 형태, 즉 침전물이나 화석연료 형태(석유, 석탄, 가스)로 존재하고 있다.

대기 이산화탄소는 지구상 생명체를 유지하는 근간으로서 녹색식물의 동화작용에 의해 식품으로 전환되며, 이때 부산물로서 산소가 생성되는데, 바로 이 산소로 인하여 대기 내 산소 농도가 항상 일정하게 유지된다.

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1. 지구 기온과의 상관관계

우리가 잘 알고 있듯이 이산화탄소는 수증기와 더불어 생명체가 살아갈 수 있는 지구의 대기온도를 유지하는 데 주요한 역할을 하고 있다. 태양에서 지구로 보내는 에너지의 절반이 지표면에 흡수되며, 나머지는 대기권에 의해 흡수되거나 반사된다. 또한 흡수된 열에너지의 60%가 해양, 강, 호수, 땅에 있는 물을 증발시키거나 직접 대기를 덥히는 데 이용되며, 나머지 40%는 장파장의 방사선으로 방출된다. 방사된 에너지의 대부분은 이산화탄소, 수증기, 그리고 대기권에 있는 소량 기체들에 의해 다시 흡수된다. 흡수된 에너지는 열로서 다시 지상으로 방출되어 지구 표면의 온도를 높이게 되는데, 이를 자연온실효과라 부른다.

따라서 지구의 기온과 이산화탄소 농도 사이에는 어떤 상관관계가 있는지를 살펴보기 위하여 과거 16만 년 전까지 거슬러 올라가서 북극 지방 빙하 중심부에 갇혀 있는 공기 방울 내 이산화탄소 양을 측정하고, 동일한 시기의 얼음 속 수소와 중수소 비율을 분석하였다. 왜냐하면 눈이나 빗속의 중수소 농도는 기온이 상승함에 따라 증가하고, 항상 얼음으로 덮인 지역의 경우 매년 내리는 눈은 서로 다른 얼음층으로 쌓이게 되어 얼음층을 계산함으로써 분석하고 있는 얼음의 연대를 결정할 수 있기 때문이다.

연구 결과에 의하면 가장 높은 온도, 즉 현재보다 2.5℃ 높은 온도는 대기 중 이산화탄소 농도가 300ppm으로 최고조를 기록한 약 135,000년 전에 나타났으며, 가장 낮은 온도는 이산화탄소 농도가 185~195ppm인 150,000년 전과 20,000년 전에 나타났는데, 이때 기온은 현재보다 무려 10℃나 낮았다.

최근 Manitoba의 한 담수연구소가 북서 Ontario 호수 지역을 대상으로 지난 20년 동안 실험한 기상학적, 수리학적, 생태학적 변화를 보고하였다. 보고서에 따르면 이 지역은 최근 대기 온도와 호수 온도가 각각 2℃씩 상승하였으며, 얼음이 어는 기간이 연간 무려 3주까지 감소한 것으로 나타났다.

이것은 화석연료와 목재 연소로 인하여 이산화탄소 방출이 9천3백만 톤(1860년)에서 50억 톤(1987년)으로 증가하였기 때문이다(이 수치는 1987년 1인당 대략 1톤의 양에 해당되며, 이렇게 증가된 양의 대부분이 지난 30~40년간에 발생한 양이다).

 

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2. 대기 이산화탄소 농도에 영향을 주는 지리학적 요소

(1) 해양

오랫동안 해양은 대기권으로부터 과잉의 이산화탄소를 제거한다고 생각해 왔다. 그러나 1958년 이후 대기권의 이산화탄소 농도를 지속적으로 측정해 본 결과, 이산화탄소 농도가 매년 0.35% 비율로 증가하고 있음이 밝혀졌다. 특히 1860년 이후 증가 비율이 30%로 현재 농도인 350ppm을 유지시키는 데 결정적인 역할을 해 왔다. 지난 100년 동안의 여러 기록을 기초로 하여 지구 표면 온도를 재구성하는 연구를 주관한 Goddard 우주연구소와 기상연구소에 의하면, 1880년 이후 매년 0.4~0.5℃씩 증가해 온 것으로 나타났다.

(2) 숲

이산화탄소가 대기로 유입되는 것이 화석연료 연소에 의해서만 일어나는 것은 아니다. 1860년 이후 숲의 남벌과 산불에 의하여 무려 900~1,800억 톤의 탄소가 대기로 방출된 것으로 조사되었다. 현재 적도 우림의 파괴는 매년 10~26억 톤의 탄소를 방출하는 원인이 되고 있는데, 이 수치는 화석연료 연소에 의해 발생되는 양의 20~50%에 해당된다. 또한 산불이 아니더라도 숲이 사라지는 것은 온실효과를 상승시키는 요인이 된다. 벌목 후 남은 밑동, 쓰러진 나무, 그리고 표토 내의 탄소 등은 산화되어 이산화탄소가 되거나, 혐기성 미생물에 의해 분해되어 CH₄의 형태로 방출된다. 메탄과 아산화질소 역시 온실효과를 유발하는 물질이다. 각 기체가 온실효과에 기여하는 정도를 표시하면 다음과 같다.

• CO₂: 49%
• CH₄: 18%
• 기타: 13%
• N₂O: 6%
• CFC-11, CFC-12: 14%

N₂O는 탈질소 박테리아의 대사 과정 중 부산물로 발생되지만, 최근에는 질소비료 사용 증가에 따라 대기 중 N₂O 농도가 더욱 증가하고 있다. 이러한 점을 미루어 볼 때 2030년이 되면 온실효과의 주된 요인으로서 메탄이 20~40%, N₂O가 10~20% 정도까지 차지하게 될 것으로 전망된다.

또한 숲은 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추는 역할을 하기 때문에 숲의 소실은 온실가스(GHGs; greenhouse gases)의 방출을 증가시킬 뿐만 아니라 대기 이산화탄소 제거 능력을 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 마지막으로 일산화탄소는 온실효과를 일으키는 기체는 아니지만, GHGs를 파괴하는 하이드록실 라디칼을 제거하기 때문에 간접적으로 GHGs의 증가에 기여하고 있다.

 

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3. 기후 변화 예측 시나리오

GHGs 농도와 대기 온도의 상관관계는 의심할 여지가 없음에도 불구하고, GHG 농도 증가가 기후에 영향을 줄 것인지는 논란의 대상이 되고 있다. GHGs가 지구 온도에 미치는 영향을 컴퓨터로 계산하여 도출한 세 가지 시나리오를 제시하였다.

• 중간 부분의 점선은 GHGs의 배출량을 현재의 추세로 잡고 기후 변동 폭을 평균 정도로 가정한 경우의 시나리오이다. 이 시나리오에 따르면 2100년까지 지구의 평균 온도는 3.3℃까지 증가할 것으로 예상된다.
• 윗부분의 점선은 GHGs의 배출이 가속화되고 기후 변동이 심한 정도로 가정한 경우의 시나리오이다.
• 맨 아래 부분은 GHGs가 획기적으로 감소되고 기후 변동이 작다고 가정한 경우의 시나리오이다.

이들 시나리오에 의하면 지구의 온도가 1℃ 올라감에 따라 평균 강우량과 증발량이 2~3%씩 증가하는 것으로 예상하고 있다. 지구 기후 변화는 다음과 같은 분야에 걸쳐 영향을 줄 수 있다.

(1) 지역 기후에 대한 영향

지구의 평균 온도가 3.3℃ 변하게 되면, 위도에 따른 여름과 겨울의 온도 및 강우량에는 어떠한 변화가 올 것인가를 표시하였다. 그러나 국지적인 기후변화는 매우 예측하기 어렵다는 점과, 시나리오에 따라 예측 결과가 달라질 수 있다는 점에서 적용의 어려움이 있다.

(2) 작물에 대한 영향

국지적 온도 상승과 강우량 변화는 경작지 이동의 원인이 되어 현재 비옥한 토지를 황폐시키거나 새로운 경작지를 만들어 낼 수도 있다. 마찬가지로 산림 종의 경우에도 변화된 기후 조건에 빠르게 적응하는 나무는 살아남지만, 제한된 기간에 적응하지 못한 산림 종은 결국 사라지게 된다. 중위도 지방에서 여름부터 겨울까지의 평균 기온이 3.3~4℃ 증가하면 산림이 북쪽으로 200~375마일 이동하게 된다. 산림 종에 따른 이동 속도를 살펴보면, 너도밤나무는 1세기 동안 약 12.5마일 이동할 수 있지만, 가장 빠르게 이주하는 가문비나무는 125마일까지 가능하다.

(3) 해양에 대한 영향

지구 온도 상승과 연관된 또 다른 문제는 적도 지역 해수 온도가 상승함에 따라 태풍이나 허리케인의 발생 빈도가 많아지고 강도도 커지는 점이다. 해수면 변동을 수온에 따라 예측한 시나리오에서는 다음과 같은 경향을 보였다.

• 중간과 위 시나리오는 해수면이 상승하는 것으로, 이는 해수 온도 상승에 따른 팽창과 극지방의 빙하 해빙을 반영한 것이다.
• 맨 아래 시나리오는 해수면이 감소하는 것으로, 적설량 증가에 따른 극지방 얼음 총량 증가가 해양의 물을 다시 얼음으로 전환함으로써 해수면을 낮춘다는 이론에 기반하고 있다.

해수면이 증가하게 되면 해안 저지대는 범람하게 되어 막대한 경제적 손실과 경작지 감소를 초래하고, 결국 식량 부족으로 이어질 수 있다.

(4) 예측 시나리오의 한계

지구 기온 변화 예측 시나리오는 여러 가지 불확실성을 내포하고 있다. 첫째, 많은 시나리오가 미래 화석연료 소비 패턴, 벌목과 조림 등의 인간 활동에 기초한 분석이라는 점. 둘째, 지구 순환에 따른 복잡한 결과를 정확하게 예견하기 어렵다는 점이다. 또한 다음과 같은 미지의 요소들도 있다.

• 구름의 영향: 기온 상승으로 해수와 육수의 증발이 증가하면 구름층도 증가되는데, 이는 태양광을 반사해 기온을 낮추는 동시에, 적외선 방출을 억제해 기온을 높이는 상반된 효과를 가진다.
• 해류의 변화: 아직까지 정확하게 규명되지 않았다.
• 식물에 대한 반응: 이산화탄소 농도 증가로 인해 나무와 농작물의 성장이 촉진될 수 있다. 반면 온도 상승으로 박테리아 호흡률 증가 → 이산화탄소 방출 → 온실효과 악화로 이어질 수 있다.