지구온난화에 유독 취약한 지역 있다, 왜?

파리기후변화협약에 대해 들어보셨나요? 전 세계 온실가스 감축을 위해 지구 평균기온 상승폭을 2℃ 보다 낮은 수준으로 유지하기로 2015년 12월 프랑스 파리에서 체결한 협약입니다. 국립기상과학원이 발표한 ‘한반도 100년의 기후변화’ 보고서에 따르면 우리나라는 평균기온이 10년 마다 0.18℃씩 올랐으며 최근 30년 동안의 기온(1988~2017년)은 20세기 초(1912~1941)에 비해 약 1.4℃ 정도 상승하였다고 합니다.

▲ 국립기상과학원은 ‘한반도 100년의 기후변화’ 보고서를 통해 우리나라의 연평균, 최고, 최저기온이 지난 100여년간 상승해왔다고 분석했다. (출처: 국립기상과학원)

그렇다면 왜 파리기후변화협약은 지구온난화를 유발하는 원인으로 온실가스를 지목했을까요? 태양에서 지구로 도달하는 빛 에너지는 파장이 짧은 단파 복사의 형태입니다. 지구는 이를 흡수한 뒤 파장이 긴 장파 복사 형태로 우주로 방출합니다. 이산화탄소를 포함한 온실가스는 그 장파 복사 에너지를 대기 중에 가두어 놓는 역할을 합니다. 이러한 온실효과(greenhouse effect)는 지구의 온도를 상승시키는 가장 주요한 원인 중 하나로 알려져 있습니다.

지구의 온도 상승으로 인해 빙하가 녹으면 생태계에 큰 변화가 일어나게 됩니다. 해수면 상승에 따라 홍수 등 부차적인 재해가 발생할 수 있습니다. 또 강수 패턴의 변화, 식물 생장 시기의 변동, 이상기상현상 증가와 함께 농작물 등의 생산량 감소로 인한 식량난과 질병 확산 등도 세계적으로 큰 문제를 발생시킵니다. 소득수준이 낮은 국가에서는 에어컨이나 수처리 시설의 부재로 인해 생명을 위협받는 수준에 이르렀다고 합니다.

▲ 지구는 태양이 보내온 단파장의 빛 에너지를 긴 장파 복사 형태로 우주로 방출한다. 온실가스는 장파 복사 에너지를 대기 중에 가둬 지구의 온도를 상승시킨다.

육상 영역, 북반구 고위도 영역이 지구온난화에 취약

그렇다면 전 지구의 온도는 동일하게 상승하고 있을까요? 지구 표면 온도 변화를 추적 관찰하고 있는 미국항공우주국(NASA)은 1951~2019년까지 지구 대부분의 영역에서 온도가 높아졌다고 분석했습니다. 하지만 그 정도에는 차이가 존재합니다. 육지 근처는 비열(물질 1g의 온도를 1℃만큼 올리는 데 필요한 열량)이 높은 해양에 비해 온도가 빠르게 오르는 경향을 보였습니다. 또, 북반구 고위도 지역들은 적도부근보다 높은 온도증가율을 나타냅니다.

기후변화의 지역적 차이는 지표면의 상태 변화에 따른 지역적 영향뿐만 아니라,강수를 비롯해 대기 순환, 해류 변화와 같은 복합적인 요인에 의해 발생합니다. 아래의 관측결과를 보면 북극해를 둘러싼 시베리아, 알래스카, 캐나다 등의 영역은 유독 온도가 뜨거워진 것을 관찰할 수 있습니다. 이렇게 북극 영역의 온도가 빠르게 오르는 현상을 ‘북극 증폭(Artic amplification)’이라고 합니다. 이 북극 증폭의 원인을 규명하기 위한 시도가 이뤄져 왔지만, 정확한 유발 요인에 대해서는 여러 논쟁이 있었습니다.

▲ 1951년부터 2019년까지 지구 표면의 온도 변화를 관측한 결과. 색이 붉을수록 온도가 많이 상승했다는 의미로 북극 지역의 온도가 유독 많이 상승했음을 알 수 있다. 회색은 누락 값을 나타낸다.(출처: NASA)

북극은 왜 이렇게 뜨거워졌나

‘문제의 해답은 내 안에 있다’는 말처럼 2000년대 이전까지 연구자들은 북극 증폭의 원인이 북극 자체에 있다고 분석했습니다. 온실가스로 인해 온도가 상승하고, 북극의 해빙과 고위도 지역의 눈을 녹이기 때문입니다. 반사율이 높은 눈과 빙하는 햇빛을 반사시키는 든든한 역할을 하지만, 이들이 녹으면 더 많은 태양복사 에너지가 지표나 해양으로 흡수되며 온난화가 가속됩니다. 이처럼 북극 증폭의 주요 원인을 표면 반사율 감소로 지목하는 ‘지역적 메커니즘’은 한 동안 정설처럼 받아들여져 왔습니다.

▲ 지역적 메커니즘에 의한 북극 증폭 과정을 나타내는 모식도. (출처: IBS)

2000년대 들어 다양한 기후 모델이 개발되면서, 북극 증폭이 ‘지역적 요인’ 뿐만 아니라 다른 지역의 영향이 복합적으로 작용한다는 주장이 나오기 시작했습니다. 온실가스가 열대, 중위도 지역의 온도를 상승시키면 따뜻해진 해수가 해류를 타고 북극까지 올라오게 되는데요. 이 따뜻한 해수가 북극 근처의 해빙을 녹인다는 ‘원거리 메커니즘’이 주목받게 됩니다.

북극의 온난화에 ‘직격타’를 가하는 것이 ‘지역적 메커니즘’인지 ‘원거리 메커니즘’인지에 대해서는 오랫동안 논란이 있어왔는데요. 2018년 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단은 이 오랜 논란을 종결시킬 연구결과를 국제학술지 ‘Nature Climate Change’에 발표했습니다.

연구진은 지역적 요인과 원거리 요인 등 북극 온난화에 영향을 줄 수 있는 다양한 요인들을 모두 고려한 시뮬레이션 모델을 개발하고, 시뮬레이션 결과를 실제 기후 상황과 비교하는 연구를 수행했습니다. 그 결과, 북극 자체의 지역적 요인만 적용한 경우에도 북극 증폭으로 실제 기후와 유사한 결과가 나타났습니다. 원거리 요인은 부가적인 역할만 할 뿐, 지역적 요인만으로도 북극 증폭이 발생한다는 의미입니다.

그렇다면 열대 지역은 왜?

앞서 소개한 NASA의 관측 자료를 보면 북극 외에도 유독 빨갛게 칠해진 부분이 있습니다. 바로 적도 부근의 열대 지역입니다. 지난 50년 간 전 지구의 평균 해수면 온도가 0.55℃ 상승 할 때 동태평양을 제외한 열대 해양의 온도는 0.71℃ 상승했다고 합니다. 하지만 열대 해양의 온도 상승이 빠른 이유에 대해서는 아직까지 제대로 밝혀지지 않았습니다.

지난 1월 14일 이 난제를 해결할 연구결과가 나왔습니다. IBS 기후물리 연구단은 국제학술지 ‘Nature Climate Change’에 중남부 아시아, 미국 남부 등 아열대 지역에서 발생한 온실기체가 열대 지역의 온도 상승을 부채질하는 효과가 있음을 규명했습니다.

열대 지역의 해류는 해들리(hadley)라고 불리는 대규모 대기 순환에 크게 영향을 받습니다. 열대 적도 지역의 따뜻하고 습한 공기가 수렴하고 상승한 후 남북방향으로 발산하여, 아열대지역에서는 하강기류와 함께 대기 하층의 발산이 생깁니다. 이 때, 무역풍이 아열대의 차가운 공기를 열대 적도지역으로 수송하게 됩니다. 또한 이 과정에서 해류 흐름이 동쪽에서 서쪽으로 이동하면서 열대지역 심해의 차가운 해수가 표층으로 올라오는‘용승’현상이 나타납니다.

열대지역의 온난화가 진행될수록 열대지역에서는 구름이 많아져 태양빛을 더 반사하게 되고, 해들리 순환이 강해짐과 함께 아열대에서 열대로의 차가운 공기이류, 강해진 용승 현상은 열대 지역 온난화를 상쇄시키는 역할을 합니다.

▲ 열대와 아열대 사이의 해들리 순환을 나타내는 모식도. (출처: IBS)

시뮬레이션하며 대기 및 해양순환 과정을 분석했습니다. 그 결과, 아열대 지역의 이산화탄소는 같은 양의 열대 지역 이산화탄소보다 열대 해수면 온도를 40% 더 상승시키는 것으로 나타났습니다. 아열대 지역이 온실효과로 인해 온도가 상승하면, 적도와 아열대의 온도차이가 감소해 해들리 순환이 약화되고 이에 따라 무역풍과 용승 현상이 줄어 적도 부근의 해수면 온도가 증가하게 되는 것입니다.

또한 무역풍이 수송하던 수증기량이 감소해 적도 부근에 햇빛을 차단했던 구름 양이 줄어 일사량도 증가하게 된다고 합니다. 열대지역의 빠른 온난화는 아열대 지역의 온실가스 증가의 영향을 받고 있다는 의미입니다.

기후변화로 인한 우리의 미래는?

▲ 데이비드 바티스티 미국 워싱턴대 교수는 1980~1999년 대비 2080~2099년의 지구 표면 온도상승 폭을 비교했다. (1980~1999년 동안의 평균 온도 값과 2018~2099년 동안의 평균 온도 값의 차) (출처: 미국 워싱턴대)

기후변화의 지역 불균형은 미래에도 계속될 것으로 보입니다. 우리나라의 경우 다른 지역에 비해 그 상승 폭이 낮은 편이지만 안심 할 수는 없습니다. 파리기후협약이 목표로 하는 2℃를 훌쩍 넘길 것으로 예상되기 때문입니다.

게다가 IBS 기후물리 연구단의 분석에 따르면 파리기후변화협약을 지키더라도 여름철(9월) 북극 빙하가 완전히 녹아 사라질 확률은 28%나 됩니다. 연구진은 산업혁명 전과 비교해 전 지구의 지표기온 상승이 1.5도에 이르면 9월 북극해빙이 완전히 유실될 확률이 6%, 2도 상승에 이르면 28%일 것으로 분석했습니다. 지금보다 더 엄격한 정책과 노력이 필요하다는 의미입니다.

앞서 소개한 연구들이 분석한 것처럼 지구 온난화에는 지역적인 요소뿐만 아니라 원거리의 요소들도 복합적으로 작용하고 있습니다. 기후변화 문제를 해결하기 위해서 전 지구적인 메커니즘에 대한 규명이 꾸준히 이뤄져야 할 것으로 생각됩니다. 기초과학자들이 연구가 기후변화 완화와 적응에 대한 계획을 세우는데 든든한 가이드가 될 것으로 기대됩니다.

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