[理知논술/고교 통합교과 논술]과학논술<10>기후 변동

지구가 형성된 이후 기후는 여러 차례 상당히 큰 변동을 겪어왔다. 기후의 변동은 인류의 생활조건과 직결돼 있기 때문에, 이 같은 변동이 얼마나 가까운 미래에 다시 닥쳐올 것인가는 우리에게 매우 중요한 관심사이다.

□ 온실효과의 원리

표면온도 약 6000K인 태양복사(그림 중 A)는 가시광선과 적외선, 자외선이 섞여 있지만, 표면온도 약 300K인 지구복사(그림 중 C)는 사실상 전체가 적외선으로 이루어져 있다(지난 호 ‘색과 스펙트럼’ 중 플랑크곡선과 빈의 법칙 참조).

그런데 지구 대기를 구성하는 기체들은 가시광선에 대해서는 높은 투과율을 나타내지만, 적외선에 대한 투과율은 낮은 편이며 적외선 가운데 상당량을 흡수한다(이러한 속성은 온실에 설치된 유리의 속성과 닮았으며, 따라서 이 효과에 온실효과라는 이름이 붙은 것이다). 따라서 태양복사 A(342) 가운데 대기 중에 흡수되는 것은 20%가량(67)에 불과하지만, 지구복사(390) 가운데 대기 중에 흡수되는 것은 90%에 육박(C=350)하는 것이다.(그림1 참조)

지표로부터 방출된 적외선을 대량으로 흡수한 대기는 다시 적외선 형태의 복사 에너지를 방출하는데, 일부는 우주로 방출(F=165)하지만 상당량은 지표로 방출(D=324)하여 결과적으로 에너지를 돌려보내는 역할을 한다.

‘온실효과를 일으키는’ 에너지는 바로 대기가 지표를 향해 재방출하는 에너지(D)이다. 적외선을 흡수하는 온실 기체의 농도가 높아질수록, 지표가 방출한 적외선을 대기가 흡수하여 지표로 되돌려 보내는 양(D)이 증가한다. 그런데 에너지 출입량이 클수록 평형 온도가 높으므로(플랑크곡선과 슈테판-볼츠만 법칙 참조), 그럴수록 지표의 온도는 높아지는 것이다.

예제

크기와 모양이 동일한 두 물체가 복사 평형 상태에 있다. 에너지 출입이 작은 물체와 에너지 출입이 큰 물체 가운데 어떤 물체의 평형 온도가 더 높으며 그 이유는 무엇인가?

□ 지구 온난화의 원인

지구 온난화의 결과로 대륙빙이 녹으면 해수면이 상승한다. 그러면 저지대가 침수될 뿐만 아니라 해안 평야지대의 지하수 염도가 높아져 경작이 어려워지는 등 여러 가지 문제가 발생한다. 지구가 온난화되는 것은 온실효과가 심해지기 때문이며, 온실효과가 심해지는 원인은 흔히 화석 연료의 소비가 증가하여 이산화탄소의 대기 중 농도가 높아지기 때문이라고 알려져 있다.

그런데 이산화탄소가 증가하는 원인은 화석연료의 소비에만 있는 것도 아니며, 더구나 이산화탄소만이 온실기체 역할을 하는 것도 아니다. 일단 이산화탄소가 증가하는 원인의 4분의 3가량은 화석연료의 연소 때문이라고 알려져 있다.

그러나 나머지 4분의 1 정도는 삼림이 파괴되어 식물의 광합성량이 감소하기 때문이다. 식물은 광합성을 통하여 대기 중의 이산화탄소를 탄소화합물 형태로 전환시켜 저장한다. 그런데 삼림이 파괴되면 이러한 저장작용을 더 할 수 없으므로, 파괴되지 않은 경우와 비교할 때 이산화탄소 농도가 상대적으로 높아지는 것이다.

특히 삼림 중에서 광합성 효율이 극히 높은 열대우림이 파괴되면 그만큼 지구 온난화에 크기 기여하게 되므로, 열대우림을 보호하는 것이 매우 중요한 과제가 된다.(그림2 참조)

이산화탄소 이외에 온실 기체 역할을 하는 것으로 메탄(CH4), 염화불화탄소(CFC), 일산화이질소(N2O) 등이 있다. 메탄은 논과 같은 습지에서 많이 발생하기 때문에 한국을 포함한 동아시아 지역에서 주로 행해지는 벼농사가 뜻밖에도 온난화의 원인 중 하나로 지목되기도 한다. CFC는 오존층 파괴 물질로 널리 알려져 있으나 그와 함께 주요한 온실 기체이기도 하다.

예제

지구 온난화의 주범인 이산화탄소 증가를 억제하려면 어떠한 방법이 있는가?

□ 온난화와 피드백

지구 온난화의 양상은 단선적으로 파악될 수 있는 것이 아니다. 왜냐하면 온난화로 인한 결과를 예측할 때 고려해야 할 피드백이 여러 가지 있기 때문이다. 우선 양성 피드백(positive feedback)으로 두 가지가 잘 알려져 있다. 하나는 해양에 녹아있던 이산화탄소의 유출이다. 지구 대기가 온난화되면 해양 온도도 높아지고, 그러면 이산화탄소의 용해도가 낮아져 여태까지 녹아있던 이산화탄소가 대기 중으로 방출되는 것이다. 이는 온난화를 가속하는 주요한 양성 피드백 요소이다. 또 하나는 빙하의 감소로 인한 지구 평균 흡수율의 증가이다. 기온이 높아지면 높은 반사율을 가진 빙하가 사라지는데, 그러면 지구 평균 반사율이 감소한다(흡수율은 증가한다). 그로 인해 지구 온난화는 더욱 가속될 것이다.

반면 미래의 기후를 예측할 때 고려해야 할 음성 피드백(negative feedback)의 요소도 있다. 평균 온도가 상승하면 증발량이 많아지며, 그로 인해 대기 중 구름의 양이 많아진다. 구름은 대체로 흰색으로서 반사율이 높기 때문에, 그만큼 태양열을 차단하여 평균 온도를 낮추는 효과가 있다. 현재 학자들이 예측하고 있는 미래 지구 온도의 상승은 이러한 여러 가지 피드백 요소를 종합적으로 고려하고 이를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측한 것이다.

이범 선생님

☞답안은 이지논술 사이트에