지구온난화(地球溫暖化, global warming)

                                       김진국

 최근 들어 홍수, 가뭄, 태풍 등의 강도나 빈도가 예전과 다르고, 겨울이 짧아지는 등 기상 이변이 지구 곳곳에서 발생하고 있다. 이런 현상은 지구 평균 기온의 급상승과 관련이 있다고 본다. 지구 평균 기온이 급상승하는 원인은 무엇이고, 그 대처 방안이 무엇인지 알아보자.

1. 지구 기온 변화

가. 복사 평형(輻射平衡, radiation balance/radiative equilibrium)

 지구에는 태양으로부터 많은 복사 에너지가 도달한다.
태양 복사 에너지는 지구를 가열하고, 온도가 높아진 지구에서는 지구 복사 에너지를 지구 밖으로 방출하는 에너지의 흐름이 일어난다. 이때 지구 전체적으로는 흡수한 태양 복사 에너지양과 방출한 지구 복사 에너지양이 같은 복사 평형을 이루고 있다.
복사 에너지 평형을 이룰 때의 연평균 기온을 지구 평균 기온이라 한다.
지구에서 복사 에너지 평형을 이루어 지구 평균 기온이 일정하면 우리 지구는 기상 이변이 거의 일어나지 않는 안정한 상태가 된다.
 그런데 어떤 원인으로 태양 복사에너지가 지구복사에너지보다 많으면 지구 평균 기온이 상승하며 태양 복사에너지양이 지구복사에너지양보다 적으면 지구 평균 기온이 낮아진다.

나. 지구 평균 기온 상승

 지구의 평균 기온이 항상 일정하게 유지되어 온 것은 아니다.
과거에 여러 번 생물 종이 크게 변화된 것이라든지, 빙하기가 여러 차례 있었다는 것은 지구 평균기온의 변화가 있었다는 것을 말해 주고 있다.
빙하기란 지구의 평균 기온이 매우 낮았던 기간을 말한다. 지구의 평균 기온이 낮아진 원인은 번성한 식물의 광합성 작용으로 공기 중의 이산화탄소량이 줄어들어 온실 효과가 감소되었기 때문이라고도 하며, 심한 화산활동으로 대기 중에 확산된 화산재가 햇빛을 차단하는 우산 효과 때문이라는 설도 있다. 역사 시대에 들어와서도 1550～1890년의 300여 년간 북반구에는 많은 화산 활동의 영향으로 한랭한 날씨가 계속된 소빙하기가 있었다.
20세기에 들어와서 지구의 기온이 급격히 상승하고 있다. 우리가 살고 있는 북반구에서도 평균 기온이 최근 100년 동안 0.6℃ 가량 상승하였다.
현재와 같은 추세로 지구의 기온이 상승한다면, 100년 후에는 약 4.0℃ 정도의 기온이 상승할 것으로 예상된다. 과거 빙하기와 간빙기의 기온 차이가 5℃를 넘지 않았다는 것을 고려한다면 100년이란 짧은 기간에 이 같은 기온 차이가 나는 것은 엄청난 큰 변화이다. 우리나라 역시 지난 100년 동안 연평균 기온이 0.5℃ 이상 증가하였다.

2. 지구 온난화의 원인 

가. 온실효과(溫室效果, greenhouse effect)

 지구의 평균 기온이 상승하는 현상을 지구 온난화라 한다. 최근 100년 동안 지구의 평균 기온은 상당히 상승한 것으로 나타났다. 지구 평균 기온 상승은 태양 활동의 변화, 지구 공전 궤도의 변화, 화산 분출물 등의 자연적 요인에 의해서도 일어날 수 있다. 그러나 이러한 자연적 요인이 최근의 지구 온난화에 미친 영향은 별로 크지 않다. 오히려 산업 혁명 이후의 지구 온난화는 인위적인 원인에 의한 영향이 더 크다.
산업이 발달함에 따라 각종 물품이 생산되고 소비되는 과정에서 대기 오염물질이 배출되어 온실효과를 강화시키고 있으며 이로 인해 지구의 평균 기온이 상승하고 있다.
 지구 대기 중의 일부 성분은 짧은 파장의 태양 복사 에너지를 통과시키지만 긴 파장의 지구 복사 에너지의 일부를 흡수하였다가 다시 지표면으로 방출함으로써 지구의 온도를 높이는 현상이 일어난다. 이를 온실 효과라 한다.
온실 효과를 일으키는 과정은 다음과 같다.
태양은 표면 온도가 약 6,000℃나 되는 고온이므로 짧은 파장의 빛을 방출한다. 지구에 도달하는 태양 복사 에너지는 대부분 짧은 파장의 가시광선으로 지구를 가열한다.
반면 태양 복사 에너지로 가열되는 지구는 평균 기온이 15℃ 정도로 낮기 때문에 긴 파장의 적외선 형태로 지구 복사 에너지를 지구 밖으로 방출하게 된다. 즉, 지구는 짧은 파장의 태양 복사 에너지를 받아 흡수하고, 긴 파장의 지구 복사 에너지를 내보낸다.
 그런데 지구 대기 대부분의 성분은 모든 파장의 가시광선을 잘 통과시킨다. 그러나 수증기, 이산화탄소, 메탄, 염화플루오르화탄소, 질소산화물 등과 같은 지구 대기 중 일부 성분은 짧은 파장의 태양 복사 에너지를 통과시키지만 긴 파장의 적외선인 지구 복사 에너지를 흡수하여 더 긴 파장의 적외선을 낸다. 이 더 긴 파장의 적외선은 지구의 표면을 다시 가열하므로 온실효과가 일어난다.
이와 같이 온실 효과를 일으키는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 염화플루오르화탄소, 질소산화물 등을 온실 기체(溫室氣體, greenhouse gases)라 한다.
 지표는 태양 복사 에너지와 함께 온실 효과에 의한 대기 복사 에너지를 받게 된다.
 만일 대기 중에 온실기체의 양이 증가하여 온실효과가 강화된다면 지구의 평균기온은 상승하게 된다. 지구의 평균기온이 상승하면 지구 복사 에너지양도 따라서 증가하게 된다. 결국 지구의 평균 기온은 지구 복사 에너지량이 증가하여 태양 복사 에너지량과 같아질 때까지 상승하게 된다.

나. 온실 기체의 종류

 온실 기체로는 수증기, 이산화탄소, 메탄, 염화플루오르화탄소, 질소산화물 등이 있으며 특히 수증기는 전체 대기 온실 효과의 약 60.70%를 차지한다. 수증기는 대기 중에 0 ～ 4%로 일정하게 존재하며 인위적으로 그 함유량을 변화시킬 수도 없으므로 수증기의 온실 효과는 우리 지구에 항상 있는 기본적인 것으로 보며, 지구 온난화를 일으키는 온실 효과 기여도에서 제외한다.
이산화탄소(CO2)는 한 분자 당 온실 효과는 낮지만 온실 가스 중 대기 중에 가장 많은 양이 존재한다. 잔류 기간도 100년으로 매우 길기 때문에 전체 온실 효과 기여도는 약 55% 정도로 높다.
지금까지 많은 양의 이산화탄소는 바닷물에 녹거나 탄산칼슘과 같은 암석으로 고정되기도 하고 식물의 광합성으로 석탄, 석유, 나무와 같은 유기물로 고정되기도 하기 때문에 대기 중의 이산화탄소 농도는 약  0.03% 정도로 일정하게 유지될 수 있었다. 그런데 산업 혁명 이후로 화석 연료의 사용량이 늘어남에 따라 대기 중의 이산화탄소 농도는 증가되고 있다.

* 온실 효과 기여도

각 온실 기체가 온실 효과를 일으키는 정도를 나타내는 것으로 분자당 온실 효과와 대기 잔류 기간의 곱으로 나타낸다.

* 지구온난화 지수(global warming potential, GWP)

이산화탄소의 온실 효과 값을 1로 기준하여 각 온실기체의 20년, 50년 등의 기간에 따라 온실효과를 나타낸 값으로 메탄(CH4) 21, 아산화질소(N2O) 310, 수소불화탄소(HFCs) 1300, 과불화탄소(PFCs) 7000이다.

* 잔류 기간
 어떤 화합물이 변함없이 남아있는 기간
 
염화플루오르화탄소(CFCs)는 1930년대 이후, 냉장고, 에어컨 등과 같은 냉매제, 절연체 및 반도체의 세척제, 그리고 각종 스프레이 제품의 사용이 증가함에 따라 대기 중으로 그 방출량이 증가되어 왔으나 최근에 대체 물질의 개발로 사용량이 감소되고 있다. 실제 대기 중의 농도는 0.001ppm 이하로 낮지만 대기 잔류 기간이 길어 온실 효과 기여도는 24%이다.
 메탄(CH4)은 늪지, 석탄층, 논농사, 가축들의 배설물, 쓰레기 매립장 등과 같은 산소가 희박한 환경에서 유기물이 혐기성 박테리아에 의해 분해될 때 생성되는 천연가스이다.
목장의 되새김 동물이 트림할 때에도 상당량이 방출되고 있으며 천연가스의 이용이 늘어남에 따라 땅 속에 매설한 가스 파이프라인에서 가스가 새어 나와 공기를 오염시키기도 한다.
메탄 한 분자당 온실 효과는 이산화탄소의 20-30배 정도로 크다. 메탄의 온실 효과 기여도는 15% 정도로 낮지만 현재 빠른 속도로 배출량이 증가하고 있으므로 감소 대책을 세워야 할 것이다. 그 증가율은 이산화탄소의 연 증가율 0.5%보다 높은 0.9%에 이른다.
 산화질소류(N2O)는 고온에서 연소될 때 생성되는데 특히 자동차의 배기가스에 많이 들어있다. 또 산화질소류는 토양 속에 있는 화학 비료나 각종 질소화합물을 토양 세균이 분해할 때 생성되는데 집약 농업을 하는 경우 많이 발생한다.

※ 되새김 동물의 메탄 배출량을 감소시키자.

 스코틀랜드의 로웨트(Rowett) 연구소 제미 뉴볼드(Jamie Newbold) 연구팀은 메탄을 이산화탄소로 분해하는 박테리아를 동물의 사료와 함께 먹여 메탄 발생량을 줄이는 연구를 하였다.
되새김 동물들은 4개의 위를 가지고 있는데, 첫 번째 위인 혹 위에서 혐기성 박테리아들이 먹이를 분해할 때 메탄을 발생시킨다. 제미 뉴볼드(Jamie Newbold) 팀은 혹 위와 같은 조건에서 메탄을 분해시키는 박테리아 종을 찾기 위하여 여러 종류의 박테리아를 각각 사료와 혹 위의 위액과 혼합하여 메탄 발생량을 알아보는 실험을 하였다. 그 결과 메탄 분해에 뛰어난 효과가 있는 박테리아를 발견하여 되새김 동물이 발생시키는 메탄의 반 정도를 이산화탄소로 분해시킬 수 있었다.
실제로 양들의 사료에 매일 10그램 정도의 박테리아를 주입한 결과, 발생되는 메탄량의 17% 정도가 줄었다고 한다. 전 유럽 목장에 이 박테리아를 도입할 경우 교토 의정서에 따라 유럽이 감축해야 할 8% 온실가스 중 반에 해당하는 양을 줄일 수 있다는 것이다.

※ 큰 대기 창

지구 복사 에너지는 적외선 형태로 지구 밖으로 방출된다. 적외선은 파장 범위가 상당히 넓다.
온실 기체는 분자 구조에 따라 흡수하는 적외선의 파장이 다르다.
수증기와 이산화탄소는 거의 모든 파장대에서 지구 복사 에너지를 흡수하지만 흡수가 적은 파장대가 적외선 파장대 중에 있다. 이 파장대로 지구 복사 에너지의 80% 정도가 방출되는데 이 파장대를 ‘큰 대기 창’이라 한다. 그런데 메탄, 프레온 가스(CFCs), 산화질소류 등은 ‘큰 대기 창’이라 불리는 파장대의 적외선을 흡수한다. 그러므로 메탄, 프레온 가스(CFCs), 산화질소류(N2O)의 분자당 온실효과는 매우 크다.

3. 지구 온난화의 영향 

가. 해수면 상승

 우리나라 동해안 호수의 바닥에 형성된 퇴적층을 시추하여 동해안 해수면 변화를 추정한 결과, 빙하기였던 1만 년 전에는 지구 평균 기온이 매우 낮아 현재보다 18m나 낮았고, 지구 평균기온이 상승된 5,500년 전에는 현재보다 2m가 높았던 것으로 밝혀졌다. 또 400년 전 소빙기에는 지구 평균 기온이 현재보다 낮아 해수면이 0.5~1m 정도 내려갔던 것으로 밝혀졌다. 이와 같이 해수면은 지구 평균 기온에 따라 변화하고 있다. 기온이 높아지면 빙하의 녹는 양이 증가하고 해수의 부피가 팽창하게 되므로 지구의 평균 해수면이 높아지게 된다. 1860년 이후 지구 평균 기온이 0.6℃정도 높아짐에 따라 지구의 평균 해수면이 25cm 정도 높아졌다.
초기 과학자들은 2100년까지 지구 평균 기온이 1.4℃ 증가하고, 해수면은 15.90cm 정도 더 높아지리라 전망하였다.
최근의 연구에서는 지구온난화로 해수면이 매년 0.8  ~  1.6mm 상승하여 2100년까지 최소 0.28m에서 최대 1.01m까지 상승할 것으로 예측하고 있다. 해발 1m 이하의 섬이나 해안지대는 수몰될 것이다.
  현재 세계 인구의 약 10%가 해발 10m 미만 해안 지역에 살고 있다고 한다. 해발 1m 이하에 살고 있는 사람은 그렇게 많지 않지만 해안에는 해일 등 급격한 해수면 상승이 일어날 경우를 대비하여 방파제를 높이는 등 대비를 하여야 하는 것이다.
많은 사람들이 저지대인 평야에 살고 있으므로 해수면이 높아짐에 따라 발생하는 손실은 매우 클 것으로 예상된다.

나. 기후 변화

 기온과 수온의 상승으로 대기와 물의 순환을 촉진시켜, 엘니뇨와 같은 이상 기후 현상이 여러 곳에서 자주 발생하고 있다. 그 결과 세계 여러 곳의 수많은 사람들이 기상재해의 위험에 직면하고 있다.
이와 같은 이상 기후 현상으로 인해 우리나라에도 겨울의 삼한 사온 현상이 사라지고, 봄에는 이상 고온 현상이 나타나며, 여름에는 사상 유례없는 폭우가 내리는 현상이 자주 일어나고 있다. 앞으로 우리나라의 기후는 겨울철은 온난해지고 여름철은 무더운 가운데 태풍, 가뭄, 홍수 등이 자주 발생할 것으로 예상된다.

다. 생태계의 위험

 기온의 변화는 생물의 생명 활동에 절대적인 영향을 미친다. 기온의 상승은 생물의 물질대사 속도를 증가시킨다. 물질대사의 변화는 생물체 내부의 생리작용에 영향을 미치게 되어 성장 속도, 먹이 종류 및 산란율 등에 영향을 줄 수 있다. 그러므로 기온이 상승하면 어떤 생물종들은 멸종될 수 있으므로 먹이연쇄가 끊어지고 심하면 생태계 파괴로 이어질 수도 있다. 예를 들어 1994년 7월과 8월에 우리나라의 동해안 해수의 온도가 평년에 비해 매우 높았다. 동해 연안에서는 주로 한류 어종들을 가두리 양식하고 있었는데, 이들 어종들은 갑자기 높아진 수온에 적응하지 못하고 대량으로 죽었다. 이러한 예는 지구 온난화로 기온이 상승했을 때 현재 지구상에 살고 있는 생물들이 어떻게 될 것인 가를 보여주고 있다.
지구 온난화가 진행되어 한반도의 기온이 상승되었을 때 현재의 많은 종들은 사라지고 아열대 종이 나타나는 등, 생태계의 구조에 큰 변화가 생길 것이다.
예를 들면 온대 지방에서 잘 자라는 사과, 포도, 배, 복숭아 등과 같은 과수는 평균 기온이 상승된 기후에서는 재배가 불가능하게 되어 농산물 생산량은 크게 줄어들 것이다.
또, 열대성 전염병인 말라리아, 콜레라 등과 같은 질병이 현재의 온대 지방에까지 확산되어 큰 피해를 입힐 것이다.

4. 지구 온난화 방지 대책 

가. 온실 기체 감소 노력

 지구 온난화를 방지하기 위해서는 지구 온실 기체의 방출을 줄여야 한다. 온실 기체는 이산화탄소, 메탄, 염화플루오르화탄소, 산화질소류 등으로 에너지 사용 부문에서 가장 많이 배출되며, 그다음으로 교통 부문, 농업 부문 등의 순으로 배출된다. 이들 온실 기체의 방출을 줄이기 위해서는 범국가적 차원의 대책이 수립되어야 하며 모든 사람들이 적극 참여하여야 할 것이다.
또 한 가지 방법은 대기 중에 방출된 온실 가스를 제거하는 것이다. 이산화탄소를 제거하는 방법으로는 삼림을 조성하고 바다의 식물성 플랑크톤을 대량 증식하여 이산화탄소를 유기물로 고정하거나 이산화탄소를 심해에 폐기하는 방법 등이 연구되고 있다.

※ 이산화탄소를 깊은 바다에 폐기하자.

 바다는 이산화탄소를 용해하여 저장할 수 있는 용량이 굉장히 크므로 과학자들은 이산화탄소를 액화시켜 잠수정으로 깊은 바다에 폐기시킬 계획을 하고 연구 중이다. 그런데 바닷속에 넣은 액체 이산화탄소는 바닷물의 대류나 해류 등으로 서서히 떠오르므로 폐기하기에 적당한 장소와 깊이를 찾는 것이 중요하다.
그래서 미국의 과학자인 부루어와 동료들은 대기 중의 이산화탄소를 액체 이산화탄소로 만들어 깊은 바다에 안전하게 저장하는 방법을 연구하고 있다.
저온 고압 하에서 이산화탄소는 물과 반응하여 얼음과 유사한 고체 형태의 클라스레이트 수화물(clathrate hydrate)을 형성한다는 것이 밝혀졌다. 그래서 액체 이산화탄소를 깊은 바다(3500m)에 넣으면 수압이 높고 온도가 낮아 이산화탄소는 바닷물과 반응하여 클라스레이트 수화물을 형성할 것이고, 고체인 클라스레이트 수화물은 얼음층이 물을 덮어 움직이지 못하게 하듯이 액체 이산화탄소를 덮어 움직이지 못하게 하므로 안전하게 저장할 수 있다는 것이다. 이 연구는 아직 진행 중이며 이산화탄소의 농도 증가가 심해의 생태계에 미칠 영향도 문제가 될 것이다.

나. 국제 사회의 노력

 1992년 브라질의 리우데자네이루에서 열린 유엔 환경 개발 회의에서 기후변화에 대처하기 위해 지구 온난화 현상 규명 및 장기 전망에 관한 연구 활동과 온실 가스 감축을 위한 국제 협약을 채택하였다. 이 협약을 준수하기 위하여 1997년 기후 변화 협약 제3차 당사국 총회에서 교토 의정서를 채택하였는데 주요 내용은 온실 가스 배출에 역사적 책임이 큰 경제 협력 개발 기구(OECD) 24개국과 온실 가스 감축 잠재력이 높은 동유럽 11개국의 감축 목표량을 제시하는 등 의무를 강화하고 있다.

지구 온난화.hwp

지구 온난화.hwp

0.08MB