안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
이번 글에서는 기후변화(Climate Change) 대해 알아 보겠습니다.
전세계의 연간 평균 기온은 산업화 이후 1.2℃ 상승 하였습니다. 지구의 평균 기온은 해를 거듭할 수록 지속적으로 상승하고 있으며, 여러 국제 협의체들이 이를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.
온실효과는 지구의 기후를 형성하는데 중요한 역할을 하는 자연적인 과정입니다.
자연적인 온실효과는 인간과 다른 생명체가 발달하고 번성할 수 있도록 양질의 환경을 조성하였고, 지구의 기후를 결정하기 위한 수많은 물리/화학 및 생물학적 상호 작용 과정 중 하나입니다.
범지구적, 또는 단일 국가/위치의 기후는 장기간에 걸쳐 기록된 날씨의 종합으로 설명됩니다.
기후는 원래부터 변화무쌍하며, 정적인 것과는 거리가 있습니다. 과거 몇 년, 수십 년, 수백/수천 년에 이르는 시간 범위에 걸친 조사 기록을 보면, 기후는 지구의 시스템 내부 요인에 의해 지속적으로 변화하고 있었음을 알 수 있습니다.
그러나, 기후의 변화가 모두 자연적인 과정에 의한 것은 아닙니다.
약 500만년전 출현한 오스트랄로 피테쿠스를 기점으로, 우리 인간은 뛰어난 두뇌를 토대로 하여 지구의 자연 시스템을 거스르는 또하나의 시스템을 구축하였습니다.
인류의 문명은 산업혁명 이후로 급격하게 발달하기 시작 하였으며, 증기기관을 시작으로 지구의 기후 시스템에 본격적인 영향을 미치기 시작하였습니다.
도시를 건설하고 토지 사용 패턴을 변경함으로써 사람들은 지역 규모의 기후를 변화시켰습니다.
19세기 중반 이후, 화석연료의 급격한 사용량 증가와 대규모 산림파괴, 더 나아가 직접적인 온실가스의 배출 등은 자연적 온실효과를 급격히 증폭시켜 왔습니다.
온실효과의 강화의 주된 요인은 CO2, CH4와 같은 온실가스(Greenhouse Gas)의 대기 중 농도 증가로 인한 것이며, 이는 산업혁명 이후 관측된 지구 평균 기온 상승의 주된 요인으로 알려져 있습니다.
강화된 온실 효과와 지구 기후 변화 사이의 관계는 결코 단순하지 않으며, 증가된 온실가스 농도는 대기 뿐만 아니라, 해양, 토양 및 생물권에도 직/간접적 영향을 미칩니다.
이러한 상호 작용 과정들은 아직까지 완벽하게 이해되지 않았으며, 지구의 기후 시스템은 복잡한 상호 피드백 메커니즘으로 온실효과로 인한 기후 변화를 증폭시키거나 감소시키는 역할을 할 수 있습니다.
이번 글에서는 지구의 복잡하고 변화무쌍한 기후 시스템에 대하여 조사하고, 이에 대한 국제적 공조체 및 이를 해결하기 위한 미래의 방향에 대해 간단하게 알아보고자 합니다.
기후 메커니즘
지구의 기후 메커니즘의 주요 요인은 아래와 같이 나열할 수 있습니다.
- 행성의 알베도(Albedo)
- 지구의 모양
- 온실효과
- 기후 시스템(열에너지/물/탄소/대기 순환 사이클)
- 바다
행성의 알베도(Albedo)
각 행성의 전체 온도는 태양과 각 행성의 거리 및 태양 복사에 대한 알베도에 영향을 받습니다.
Albedo는 전체 태양복사에서 태양 복사의 난반사를 측정한 것으로, 0~100%로 표현됩니다.
*0~1 Albedo가 0인 물체는 태양복사를 완벽하게 흡수하며(흑체, Black Body), Albedo가 1인 물체는 완벽한 반사체(백체, White Body)입니다.
다른 영향 없이 오로지 태양복사와 Albedo만 놓고 계산하였을 때, 지구(255K), 금성(227K), 화성(216K) 입니다.
지구의 모양
지구는 타원율 0.003의 거의 완벽한 구형입니다.
이 때문에, 태양광이 90도 각도로 입사되는 적도 지역은 태양광이 비스듬히 입사되는 극지방에 비해 단위 면적당 훨씬 더 많은 태양 복사를 받습니다.
단순히 각 위도별 입사되는 단파복사(Short wave radiation)와 방출되는 장파복사(Long wave radiation)의 관계만 놓고 봤을 때, 태양이 수직으로 입사되는 적도 벨트는 정오 즈음에 373K(100℃)를 초과해야 합니다.
그리고, 극지방은 0K(-273℃)에 가까워져야 합니다.
그러나, 실제 지구의 기후 시스템은 대기 및 해양 순환 시스템을 통해 적도에서 극지방으로 열을 전달합니다.
온실효과(The Greenhouse Effect)
앞서 우리는 일체의 기후적 요소를 무시한, 그저 일정 Albedo만을 가진 구체가 태양 태양 복사열에 의해 온도가 변화되는 과정을 알아 보았습니다.
행성의 온도를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나는 온실효과이며, 이는 행성을 구성하는 대기의 구성에 매우 큰 영향을 받습니다.
지구는 얇은 공기층으로 둘러싸여 있으며, 이는 중력에 의해 유지되고 있습니다.
지구의 대기(공기)는 질소(78%), 산소(21%) 및 아르곤, 이산화탄소, 수증기 등으로 이루어져 있습니다.
공기의 주요 구성 요소들은 일반적으로 지구로 입사되는 태양의 복사에너지(단파, Short wave radiation)와 지구 표면에서 위쪽으로 반사(방출)되는 적외선 복사(장파, Long wave radiation)를 투과시킵니다.
하지만, 일부 구성요소인 수증기와 온실가스(Greenhouse Gas)라고 불리우는 이산화탄소, 메탄, 그리고 각종 에어로졸은 지면에서 방출되는 장파 복사를 강력하게 흡수합니다.
가장 큰 비중을 차지하는 것은 수증기로, 지역별로 0.01% 미만에서 3% 이상까지 다양하게 분포되어 있습니다.
다음으로 많은 기체는 이산화탄소(CO2)로, 대기 중 수명이 길고, 범 지구적으로 균일한 대기 중 농도를 나타냅니다.
다른 중요한 온실가스는 메탄, 아산화질소, 오존, 그리고 염화플루오린화탄소(CFCs)/수소불화탄소(HFCs) 등의 할로겐화탄소 화합물이 있습니다.
이러한 가스에 의해 흡수된 복사는 모든 방향으로 다시 방출되며, 일부는 지표면으로 다시 방출되어 지표면 온도의 상승을 유발합니다.
이러한 온실가스들은 지표면 근처에 열을 가두어 지구 표면을 온실 효과가 없는 경우보다 훨씬 더 따뜻하게 만듭니다.
온실효과의 중요성에 대한 실례는 금성에서 확실하게 나타납니다.
금성은 지구보다 태양에 더 가깝지만, Albedo는 훨씬 높습니다. 그리고, 수성에 비해 태양에서 2배나 멀리 위치하고 있습니다.
하지만 실제로 확인된 금성의 평균 표면 온도는 약 737K(464℃)인 것으로 나타났으며, 이 온도는 극도로 밀도가 높고 이산화탄소가 풍부한 대기를 가진 금성의 온실효과 이론으로 정확하게 설명할 수 있습니다.
그리고, 대기가 거의 없는 화성의 경우는 평균 온도가 210K(-63℃) 입니다.
기후 시스템(The Greenhouse Effect)
실제 지구의 대기에서는 온실효과 이외에도 여러 기후 시스템이 상호 작용하며 훨씬 더 복잡한 시스템을 구성하고 있습니다.
범 지구적인 물리적/화학적/생물학적 순환 시스템을 통해 기후 시스템이 구성되고, 이는 지구의 열, 물, 탄소, 대기 순환에 의해 이루어집니다.
기후 시스템의 개별 구성 요소간의 복잡한 상호 작용은, 결국 한 구성 요소의 변화가 다른 구성 요소에 어떤 식으로든 영향을 미친다는 것을 의미합니다.
아래 그림은 대기(대류권 및 성층권 포함), 지표면, 해양, 강, 눈, 얼음으로 구성된 범지구적 기후 시스템의 구성 요소를 나타냅니다.
이러한 기후 시스템은 전체적인 에너지 균형을 이루게 됩니다. 지구로 입사되는 총 태양 에너지 중 일부는 구름과 대기 가스에 흡수되고, 일부는 반사됩니다.
약 절반 가량이 지표면에 도달하며, 이 에너지의 일부는 또다시 위쪽으로 반사되고, 일부는 지표면을 데우거나 바다(물)에 의해 흡수됩니다.
물 순환 시스템(Global Water Cycle)
물 순환은 기후 메커니즘의 핵심입니다.
전 세계적으로 복잡하게 일어나는 물 순환에 대해, 평균적인 도식으로 아래 그림과 같이 나타낼 수 있습니다.
물은 지구의 3분의 2 이상을 덮고 있으며, 이 순환 사이클은 해양의 수분을 대륙으로 수송하여 강과 지하수의 배출 균형을 유지하는 중요한 역할을 하고 있습니다.
그리고, 수증기는 온실가스 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 중요한 요소이기에, 물의 순환은 지구 기후 시스템과 굉장히 밀접하게 연관되어 있습니다.
글로벌 탄소 순환(Global Carbon Cycle)
대기 구성요소 중 두번째로 중요한 온실가스인 이산화탄소의 순환은 대략적으로 우측 상단과 같이 나타낼 수 있습니다.
1990년대 이후 화석 연료 연소는 매년 추가로 5.4 기가톤(10^12 kg)의 탄소를 대기중으로 방출하고 있으며, 열대삼림의 벌채는 정상적인 이산화탄소 흡수 사이클을 방해합니다.
추가적으로 대기중의 일부 탄소는 해양에 흡수되며, 해양의 탄소 흡수율은 수온에 의해 변화됩니다.
대기 순환(Atmospheric Circulation)
태양 복사에 의해 유도된 적도와 극지방 사이의 온도차이는 열대지방과 극지방 사이의 공기 대류를 야기합니다.
적도 지방의 공기는 강력한 상승 기류를 이루며, 극지방의 차가운 공기는 강력한 하방 기류를 발생시킵니다.
이로 인해 지구의 상하 대기 순환 시스템이 발생합니다.
그리고, 지구는 자전을 하기 때문에 극지방과 적도지방의 자전속도 차이가 발생하며, 이로 인해 발생하는 가상의 힘인 전향력(Coriolis Effect)으로 인해 해들리 순환(Hadley Cell), 페렐 순환(Ferrel Cell), 극 순환(Polar Cell)의 3개 순환대로 나뉘게 됩니다.
해양 순환 (Ocean Circulation)
바다는 평균 깊이 3,800m로 지구 표면의 71%를 덮고 있습니다.
물은 열용량이 상당히 뛰어나기 때문에, 대기에 비해 바다의 상대적 열용량은 엄청나게 거대합니다.
(전체 대기의 열용량은 깊이 3.2m의 바다에 해당합니다.)
해양 순환은 대기 순환과는 달리 구름, 응결 등을 포함하지 않기 때문에 다소 간단하게 표현됩니다.
바다는 환류(Gyres)라고 하는 수평 분지 규모의 순환 특징이 형성되며, 주로 바람의 영향에 따라 형성됩니다.
바다와 대기 사이에는 열과 수분, 이산화탄소 등의 활발한 교환이 이루어집니다.
그리고, 이 교환은 일부 지역에서 강수량을 초과하는 증발을 일으키고(담수의 손실), 일부 지역에서는 강수량이 증발량을 초과합니다.
결과적으로 바닷물의 밀도는 일정하지 않고, 온도와 염분의 변화로 인해 가변적입니다.
이것은 대규모의 밀도 기반 해양 순환을 발생시킵니다. (Ocean Circulation Conveyor Belt)
이번 글에서는 기후변화의 정의와 우리 지구의 기후를 구성하는 메커니즘에 대해 알아 보았습니다.
다음 글에서는 기후변화를 일으키는 자연적/인위적 요인들에 대해 알아보겠습니다.
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