태곳적 기후가 현재 우리에게 중요한 이유

1836년 알프스를 찾은 스위스의 지질학자 장 루이 아가시(Jean Louis Agassiz)는 당황한 기색을 감출 수 없었다. 그는 2년 전 박물학자인 장 드 샤르팡티에(Jean de Charpentier)의 어처구니없는 주장에 반박할 증거를 보여주기 위해 산을 찾은 참이었다. 샤르팡티에는 빙하 가장자리에서나 볼 수 있는 빙퇴석(moraine)¹⁾이 빙하와 멀리 떨어진 엉뚱한 곳에서 발견되거나, 특정 지층의 암석(표석erratic)이 해당 지층으로부터 매우 멀리 떨어진 곳에서 발견되는 현상을 빙하에 의한 운반작용 때문이라고 주장했다. 당시는 그것이 성경에 기록되어 있는 노아의 방주 이야기에 나오는 대홍수의 증거라고들 이야기하던 시절이었다. 아가시 또한 콧방귀를 뀌며 드 샤르팡티에의 콧대를 꺾어놓을 증거를 찾기 위해 알프스 빙하를 찾았지만 조사하면 할수록 거꾸로 드 샤르팡티에의 주장에 동의할 수밖에 없었다. 그는 결국 아가시의 학설에서 한 층 진보하여 과거에 지금보다 거대한 빙하가 땅덩이를 덮었던 빙하시대(Eizeit, 영어로는 ice age)가 있었음을 스위스자연과학회에서 선언하기에 이른다.

▲ 알래스카 국립공원에 있는 마저리 빙하(the Margerie Glacier). 루트산(Mount Root)에서 타르만(Tarr Inlet)으로 흐른다.
(출처: US National Park Service)

이처럼 과학자들은 20세기가 되기도 전에, 지구가 한때 지금보다 훨씬 추워서 빙하가 확장됐었던 시대가 있었음을 알아냈다. 아가시는 1840년 자신의 주장을 책으로 펴냈고, 미국을 여행하며 북아메리카의 빙하를 조사한 후 그의 주장을 더욱 확신하게 되었다. 1909년 독일의 에두아르드 브뤼크너(Eduard Bruckner)와 알브레히트 펭크(Albrecht Penck)는 알프스 빙하 계곡을 다니며 빙퇴석의 분포를 연구한 뒤 먼 옛날 지구에 귄츠, 민델, 리스, 뷔름이라는 네 번의 빙하기²⁾가 있었음을 주장했다.³⁾ 고전적인 빙하시대상을 정립하는 최초의 연구였다.

이처럼 까마득히 먼 옛날로부터 지금까지 장기간에 걸쳐 지구의 기후가 어떻게 변화했을까 탐구하는 학문을 고기후학(paleoclimatology)이라고 한다. 기후는 짧은 시간동안 좁은 곳에서 국지적인 대기의 흐름이나 기압골의 영향을 받아 일어나는 날씨와는 다르게 좀 더 오랜 기간 동안 넓은 지역에 나타나는 기상 현상의 통계적 특성을 가리키는 말이다.

인류가 지구상에 출현한 이후의 기후는 문서 기록이나 유적, 유물을 이용하여 알 수 있다. 그러나 고기후 연구는 아주 먼 과거, 그러니까 공룡이 득세하고 암모나이트가 출현했던 시대(지질시대(geological time))⁴⁾까지 거슬러 올라가곤 한다. 이때는 당시 기후가 어떠했는지를 나타내 주는 간접적인 증거들을 최대한 모아서 분석하는 방법을 쓴다. 그 중에서도 고기후학자들이 특히 관심을 가지는 연구 대상은 해저 퇴적층, 빙하, 산호초, 나무의 나이테 등이다.

▲ 지질시대의 기후 변화를 간략히 나타낸 표
(출처: ZUM학습백과)

1억 년 동안의 기후를 저장하고 있는 해저 퇴적물

육지에서 1,000km 이상 떨어진 해저 바닥은 해류가 약하고 저서 생물⁵⁾이 거의 살지 않는다. 따라서 바닷속 퇴적물이 매년 수십 마이크로미터 씩 차곡차곡 바닥에 쌓여 흐트러지지 않고 그대로 보존된다. 이렇게 쌓인 1km 두께의 해저 퇴적물은 과거 5천만년~1억년동안 기후 변동의 비밀을 풀어줄 보물창고다.

▲ (왼쪽) 1950년대 초 시카고 대학 연구실에 있는 체사레 에밀리아니
(출처: Archives of the Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, University of Miami)
(오른쪽) 동해안에 풍부한 부유성 유공충. 에밀리아니는 해저퇴적층 속 유공충 껍데기가 옛날 바다의 온도를 측정하는 기준(고수온계古水溫計) 역할을 한다고 믿었다.
(출처: 위키미디어 커먼즈)

미국 시카고 대학의 체사레 에밀리아니(Cesare Emiliani)는 1950년대 초, 스웨덴 해군 전함앨버트로스호가 채취해 온 해저 퇴적물 시료 분석에 도전했다. 앨버트로스호는 1947년 스웨덴의 해양학자 쿨렌베르그(Bjore Kullenberg)가 발명한 코어러(corer)라는 장비를 싣고 전 세계 곳곳을 항해하며 해저 퇴적물을 파내 돌아온 참이었다. 코어러는 추를 단 커다란 파이프 같은 장비로, 바다 밑바닥에 코어러를 박아 넣고 길다란 원기둥모양의 퇴적물 시료를 뽑아 올릴 수 있다. 에밀리아니는 해저 퇴적물 기둥 곳곳에서 샘플을 채취하여 유공충이라는 식물성 플랑크톤의 탄산칼슘 껍데기를 찾아낸 뒤 산소동위원소의 비율을 살폈다.

탄산칼슘은 바닷물의 탄소 원자와 산소 원자가 만나 만들어지는데 산소 원자는 품고 있는 중성자 개수에 따라 세 가지 종류가 있다. 중성자가 8개인 질량수 16의 산소(¹⁶O)가 일반적이지만 중성자가 하나 더 많은 산소(¹⁷O), 두 개 더 많은 산소(¹⁸O)도 존재하는 것이다. 이 세 가지 산소 원소는 화학적인 성질도 같고 양성자나 전자 수도 같아 ‘산소동위원소’라고 부른다. ¹⁸O은 물 분자 500개 중 1개에만 들어있을 정도로 희귀하지만 온도가 낮은 물에서 ¹⁶O보다 더 활발하게 탄산칼슘에 동화되는 성질이 있다. 즉, 유공충의 탄산칼슘 껍데기에 들어있는 산소원자 중에 ¹⁶O와 ¹⁸O의 비율을 계산하면 당시 바닷물의 온도를 알 수 있는 것이다. 에밀리아니는 이를 바탕으로 지난 수십만 년동안 바닷물 온도가 현재보다 6℃나 낮았던 시기가 여러 번 있었다고 주장했다.

▲ 산소 동위 원소 ¹⁶O와 ¹⁸O의 구조 비교

▲ 위의 그림은 따뜻한 시기의 지구 물 순환을 보여준다. 바닷물의 가벼운 산소(¹⁶O)가 무거운 산소 원소(¹⁸O)보다 증발이 더 잘 일어나고 구름을 형성한 물방울이 비가 되어 다시 바다로 돌아와 바닷물의 산소동위원소비에는 변화가 없게 된다. 아래 그림처럼 추운 기후에서는 비로 내린 가벼운 산소가 바다로 복귀하지 않고 빙하를 이루어 축적되기 때문에 바닷물은 줄어들고, 바닷물 속 무거운 산소 원소의 비도 높아진다.

10년 쯤 후에 영국 케임브리지 대학의 니콜라스 섀클턴(Sir Nicholas J. Shackleton)은 카리브해에서 채취한 유공충 껍데기를 연구하여, 유공충 껍데기의 산소동위원소비가 당시 바다의 수온 뿐 아니라 대륙빙하 크기의 변화 또한 반영한다는 것을 밝혔다. ¹⁶O이 결합된 물 분자는 무거운 ¹⁸O과 결합한 물 분자보다 증발이 잘 된다. 따라서 증발이 활발한 바닷물 속에는 ¹⁸O가 많이 들어있다. 증발한 수증기가 비가 되고 강물에 섞여 다시 바닷물로 돌아온다면 바닷물의 평균 산소동위원소비는 변함이 없을 것이다. 그러나 가벼운 산소를 품은 다량의 빗물이 내륙에서 빙하가 되어 바다로 돌아오지 않는다면 바닷속 ¹⁸O의 비는 커질 수밖에 없는 것이다. 섀클턴은 수온 변화가 거의 없는 심해수에 사는 유공충 종류의 껍데기를 분석하였는데도 연대에 따라 산소동위원소비가 달라지는 것을 보고 이것은 수온 변화가 아니라 대륙 빙하의 확장과 관련 있다는 결론을 내렸다. 이를 반영해 빙하기와 간빙기의 바다 수온차를 다시 계산해 보니 평균 2℃ 안팎이었다. 빙하기-간빙기에 대한 이해의 새 장을 여는 순간이었다.

에밀리아니와 섀클턴 이후로 해저 퇴적물 연구는 계속되었고 현재는 전 세계 수백 곳의 해저 퇴적물 기둥을 채취해 연구 중이다.

빙하는 고대 공기의 화석

▲ 우리나라 극지연구소 대원들이 2015년 남극 장보고기지 주변에서 빙하기둥을 시추하고 있다.
(출처: 극지미디어)

먼 옛날 해상 기후를 밝히는 열쇠가 해저 퇴적물이라면 과거 육상 기후는 어떻게 알 수 있을까? 과학자들은 빙하에 주목했다.

에밀리아니가 유공충 연구에 박차를 가하고 있던 1950년대 중반, 덴마크 코펜하겐 대학교의 빌리 단스가드(Willi Dansgaard)는 세계각지의 비와 눈을 모아 연구를 하고 있었다. 그 결과 고위도 지역에 내리는 눈의 산소동위원소비가 기온과 강한 상관관계가 있음을 알게 되었다. 연평균 기온이 높으면 그 해 눈에는 ¹⁸O의 상대비가 커지고(물이 무거워지고), 기온이 낮으면 ¹⁸O의 상대비가 낮아졌던(물이 가벼워졌던) 것이다. 단스가드는 그 무렵 그린란드에 설치된 미군기지 캠프센추리에서 시추한 얼음기둥(빙하코어)도 분석해보기로 했다. 얼음기둥 샘플로 산소동위원소비를 측정한 결과 해저퇴적물에서처럼 빙하기와 간빙기를 오가며 변화해 온 과거 기후 변동이 빙하에 나타난다는 것을 알 수 있었다. 캠프센추리에서 시추한 얼음 기둥 1,387m에는 10만 년 동안의 과거 기후 변동 기록이 남아 있었는데 1만년~10만년전까지의 기록은 아래쪽 240m 부분에 압축되어 있다는 것도 알아냈다. 빙하는 마치 점성이 아주 높은 액체처럼 바깥쪽으로 끊임없이 흘러내리기 때문에 아래로 내려갈수록 더 오랜 세월의 눈이 얇은 두께에 압축되었던 것이다.

▲ 2010년 남극 서부 빙상에서 채취된 빙하코어를 1m 길이로 자른 샘플이다. 화산재가 들어가 검게 나타나는 부분이 아래쪽에 보인다.
(출처: phys.org)

단스가드의 연구는 큰 반향을 불러일으켰고 그 후 그린란드는 물론 남극 빙상(ice sheet)⁶⁾에서도 빙하시추 작업이 경쟁적으로 이루어졌다. 2000년 전후로 그린란드와 남극의 보스토크 기지 등에서 길이가 무려 3km를 넘는 빙하코어들이 시추되었다. 과학자들은 이러한 빙하코어를 연구하여 최근 80만 년 동안 있었던 8번의 대빙하기의 주기를 파악하는 성과를 거두었다.

빙하코어로는 과거 대기의 성분과 기체 농도도 알아낼 수 있었다. 빙하는 건조한 극지방의 눈이 조금씩 쌓이고 천천히 압축되면서 생성된 것으로 당시의 공기를 품고 있기 때문이다. 스위스 베른 대학의 한스 외슈거(Hans Oescher) 연구팀은 1982년에 그린란드의 캠프센추리, 남극의 버드 기지와 돔C에서 채취한 3개의 빙하코어에 갇힌 공기를 분석했다. 그 결과 간빙기(인간의 영향이 미치기 전) 때의 이산화탄소 농도는 280ppm으로 마지막 빙하기 때의 이산화탄소 농도인 200ppm보다 80ppm이나 높았다는 것을 알게 되었다.

이외에도 얼음층의 두께로 강설량을 파악하거나 화산재나 황산의 포함여부로 화산폭발을 추정할 수 있어 빙하코어는 고기후 연구에 빼놓을 수 없는 연구 자료가 되고 있다.

나무 나이테와 꽃가루, 그리고 산호초

▲ (왼쪽) 수령 4,700년으로 지구상에서 가장 오래된 나무로 알려져 있는 브리슬콘 소나무
(출처: 위키미디어, CC. Rick Goldwaser)
(오른쪽) 해수면 변동 연구에 사용된 산호 아크로포라 팔마타(Acropora palmata)
(출처: USGS)

지구에서 가장 오래된 나무는 캘리포니아 화이트 산맥 해발 3,000미터 지점에 있는 브리슬콘 소나무다. 수령이 4,600년이 넘는 이 나무의 나이테에는 캘리포니아 기후의 역사가 켜켜이 쌓여있다. 알다시피 기후가 온화하고 강수량이 많은 해에는 나무의 성장이 활발해져 나이테가 넓게 나타난다. 근처에 있는 죽은 나무 그루터기까지 살펴보면 약 1만 년 전의 기후까지 연도별로 정확히 파악할 수 있는 것이다. 뉴질랜드 북섬 재래종인 카우리 소나무는 수명이 2,000년이 넘는 것으로 알려져 있다. 카우리 소나무는 쓰러진 후에도 습지에서 수천 년, 또는 수 만년 동안 깨끗하게 보존된 채로 종종 발견되어 과거 기후 변화 연구에 소중한 자료가 되어준다.

호수 퇴적물에 섞여 들어간 꽃가루도 연구 대상이다. 예를 들어 오늘날 참나무 숲이 우거진 지역의 호수 퇴적물에서 가문비나무의 꽃가루 입자가 발견되었다면 과거 기후가 지금보다 추웠음을 알 수 있다. 꽃가루가 얼마나 오래된 것인지는 방사성탄소연대측정법⁷⁾으로 파악한다.

고기후학자들은 산호초도 연구한다. 산호초는 해수면 지점이나 그 바로 아래에 생성된다. 따라서 대륙에 빙하가 늘어나면 바닷물이 줄어들어 해수면이 낮아지고 빙하가 줄어들면 해수면이 높아지는데, 산호초도 덩달아 이동한다. 결국 시간이 흐르면서 화석화한 산호초는 섬 사면에 과거 해수면에 관한 기록을 남기게 되는 것이다. 산호초 흔적의 방사성탄소연대를 측정하면 해수면 변화의 역사는 물론, 각 시기 빙상에 갇힌 물의 양도 계산할 수 있다.

산호는 나무의 나이테처럼 성장테를 갖고 있기도 하다. 화석화된 산호 성장테 속의 산소동위원소 함량을 조사하면 산호가 살아있을 때의 환경을 파악할 수 있다. 따뜻한 물에 사는 산호에서는 ¹⁶O의 상대비가, 차가운 물에 사는 산호에서는 ¹⁸O의 상대비가 높기 때문이다.

인류의 역사를 새로 쓰는 고기후 연구

▲ 과거 12만 5천년 동안 100제곱킬러미터당 인구 수 즉, 인구 밀도의 변화를 시뮬레이션으로 나타낸 것이다.

최근에는 고기후학 연구도 첨단 기술을 활용한다. 인공위성으로 수집한 데이터를 분석하거나 컴퓨터로 과거 기후를 모델링하기도 한다. 고기후모델링은 컴퓨터를 이용한 수치 모델 모의를 통해 과거의 기후를 재현하고 과거 기후에 대한 간접적 자료들과 비교해 보는 작업이다. 저명한 고기후역학⁸⁾자인 IBS 기후물리연구단 악셀 팀머만 단장은 미국 하와이대 재직 시절 고기후모델링을 통해 놀라운 사실을 알아냈다. 인류가 최초로 유럽에 정착한 시점이 기존 학설에서 주장하는 6만 년 전이 아니라 8만~9만 년 전이라는 것이다. 또한 인류가 아프리카에서 유럽으로, 다시 아시아와 오세아니아로 이동했다는 기존의 ‘단일방향 이동설’에 이의를 제기하고 일부는 유럽에서 아프리카로 되돌아왔다는 학설도 제시했다.

악셀 팀머만 단장은 천문학적 주기(밀란코비치 주기)에 따른 자연강제력을 적용한 컴퓨터 고기후모델링을 통해 북아프리카에서 약 2만 년 주기로 녹지지대가 아프리카에서 아시아로 퍼져나갔음을 시뮬레이션 했다. 이 녹지지대를 통해 인류와 동물이 아프리카를 벗어날 수 있었다는 것이다. 연구 결과는 그간의 지구과학적 증거는 물론 고고학적 사료, 그리고 유전자분석결과와 톱니바퀴처럼 들어맞는다. 논문은 세계 3대 학술지 ‘네이처(Nature)’에 실렸다. 액슬 티머먼 단장은 2017년 4월 유럽지구과학연맹(EGU)총회에서 밀루틴 밀란코비치 메달을 수상했으며 현재 부산대학교에서 열대‧아열대 및 동아시아 몬순 지역에서의 고기후 변화와 과거-현재-미래 기후 연속적 지구시스템 모델링을 통해 장기 기후변화의 특성 및 매커니즘을 연구 중이다.

고기후학자들이 남극과 그린란드, 심해, 히말라야와 알프스, 화산지대, 외딴섬 등을 누비며 연구를 하는 까닭은 무엇일까? 단순한 호기심 때문만은 아니다. 그들은 과거 지구 기후 역사에 미래 기후에 대한 열쇠가 숨어 있다고 생각한다. 과거 기후가 어떻게 변화해 왔는지, 왜 그런 변화가 생겼는지를 알아내면 앞으로 어떻게 변해갈 것인지를 예측할 수 있다는 것이다. 예를 들어 현재 급격히 증가하고 있는 대기 중 이산화탄소 농도가 현재와 미래 지구 기후에 어떤 영향을 주게 될지를 예측하는 데 도움을 줄 것이라는 기대다. 인류는 앞으로 어떤 세계에서 살게 될까? 그 답을 구하기 위해 오늘도 고기후학자들은 끊임없이 탐구 중이다.

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