기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 기후물리 연구단 악셀 팀머만 단장(부산대 석학교수) 연구팀은 지난 300만 년 동안의 지구 전체 빙상 변화를 재현한 시뮬레이션을 통해, 약 100만 년 전 남극 빙상이 이산화탄소 변화에 훨씬 민감하게 반응하기 시작했다는 사실을 밝혔다. 특히 대기 중 이산화탄소 농도가 특정 조건(236ppm¹⁾) 이하로 떨어질 경우, 남극 빙상이 급격히 팽창하는 비선형적 임계 반응²⁾이 나타남을 확인했다.

중기 플라이스토세 전환기(Mid- Pleistocene Transition, MPT)는 약 100만 년 전 빙하기가 더 길고 강하게 나타난 시기다. 지구 기후 시스템에 큰 변화가 일어난 시기로 알려져 있지만, 당시 남극 빙상이 어떤 방식으로 반응했는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 특히 장기간에 걸쳐 변화하는 기온·강수량·해양 온도 등을 현실적으로 반영한 기후 데이터가 부족해, 빙상의 장기 변화를 정밀하게 추적하기 어려웠다.

이에 연구팀은, 지구시스템모델(CESM)³⁾을 기반으로 얻어진 지난 300만년의 기후데이터와 빙상-빙붕 모델(PSUIM)⁴⁾을 이용해 남극 빙상의 장기 변화를 시뮬레이션했다. 남극 빙상이 시간에 따라 어떻게 성장하고 녹았는지를 연속적으로 재현했으며, 빙상의 두께와 흐름뿐 아니라 로스해·웨델해⁵⁾ 주변 빙붕의 움직임까지 함께 계산했다.

분석 결과, 초기 플라이스토세⁶⁾ 시기의 남극 빙상은 주로 바다 위에 떠 있는 빙붕의 확장과 축소에 따라 변동했다. 그러나 중기 플라이스토세 전환기 이후에는 이산화탄소 농도 감소에 따른 해양 냉각과 해수면 하강이 동시에 나타나면서, 떠 있던 빙붕 일부가 해저에 닿아 고정되기 시작했다. 이로 인해 빙하가 바다로 흘러나가는 흐름이 억제되면서 남극 빙상은 이전보다 쉽게 붕괴하지 않는 안정된 상태로 바뀌기 시작했으며, 동시에 훨씬 빠르게 성장하는 새로운 양상을 보였다. 특히, 이산화탄소 농도가 약 236ppm 아래로 떨어질 경우, 남극 빙상이 급격히 팽창하는 임계 반응이 나타난다는 점을 발견했다.

나아가, 단순한 기온 변화뿐 아니라 해수면 하강과 지반 융기⁷⁾가 함께 작용하면서 빙상 성장을 더욱 가속화한다는 사실도 확인했다. 빙하기 동안 해수면이 낮아지면 바닷물의 무게가 줄어 해저 지반이 서서히 솟아오르고, 이로 인해 빙하가 바다 대신 땅에 더 쉽게 접촉하게 된다. 동시에, 차가워진 남극 주변 해양은 빙붕이 녹는 속도를 줄여 결과적으로 더 크고 안정적인 빙상이 형성되는 것이다.

윤경숙 제1저자는 “약 100만 년 전 기후 변화 이후, 남극 빙상은 이산화탄소와 기온 변화에 훨씬 더 민감하게 반응하기 시작했다”라며 “이는 기후 시스템이 단순히 조금씩 변하는 것이 아니라, 특정 임계점을 넘으면 훨씬 급격하게 변화할 수 있음을 보여준다”고 설명했다.

악셀 팀머만 기후물리 연구단장은 “이번 연구 결과는 남극 빙상이 추정되었던 것보다 이산화탄소 농도 등의 외부 요인에 더 민감했다는 것을 나타낸다.”라며 “이러한 변화에 대한 이해는 미래 해수면 상승을 보다 정확하게 예측하는 데 기여할 것으로 기대된다.”라고 말했다.

이번 연구 결과는 5월 28일 오후 6시(KST) 국제학술지 ‘네이처 지오사이언스(Nature Geoscience)’에 게재됐다.

1) 236ppm 이산화탄소 농도플라이스토세 전환기 시기의 평균적인 대기 이산화탄소 농도 수준으로, 연구에서는 남극 빙상의 급격한 팽창이 시작되는 임계 조건으로 제시됐다. 산업화 이전 대기 이산화탄소 농도는 약 285ppm, 현재는 약 420ppm 수준이다.