기후변화

1 개요

Climate Change
전지구적인 기후가 변화하는 현상.

기후변화의 원인에 대해 여러 가지 가설이 있다. 각 가설이 공통으로 세우는 전제는 열에너지의 근원은 태양이라는 점이다. 즉 지구온난화의 원인에 대한 가설은 지구가 받은 태양의 열에너지의 변화에 대한 가설이라고 이해할 수 있다.

2 기후변화 탐구방법

우선 기후변화를 탐구하는 방법을 정리하고자 한다. 지구의 온도를 측정하는 방법으로 온도계를 이용하여 측정하는 직접적인 방법과, 다른 매개를 통해 온도를 예상하는 간접적인 방법이 있다.

직접적인 방법은 현재의 온도를 측정할 때 주로 사용한다. 대표적으로 기상관측 기록, 온도계 측정, 최근의 위성측정 등 직접 현재의 결과를 측정하는 방식이다. 온도 측정의 경우 지표 온도 측정, 대기 온도 측정, 해양 온도 측정 등 다양한 지역에서 행해진다.
간접적인 방법은 온도계와 같은 수단이 없었던 과거의 기록을 파악하는 데에 사용된다. 대안 관측(proxy measurement)라고 불리는데, 나무의 나이테 표본, 극지방에 쌓인 눈, 해저에 쌓인 수 세기가 지난 퇴적물, 또는 산호초의 층, 플랑크톤과 꽃가루의 화석을 살피는 방법이 있다. 이러한 과학적 조사의 노력으로 과학자들은 수천 년이 지난 지질표본에 존재하는 다양한 물질을 조심스럽게 비교하며 오래 전의 기온변화자료를 복원할 수 있다.

3 최근 사회 문제로 떠오른 기후 변화

• 관련 문서: 지구온난화, 기후변화/의혹과 설명
• 이 문서는 과학적 설명 위주로 쓴다. 지구온난화 문서는 사회적 문제 관점에서 서술되어 있다.

보통 기후변화라고 하면 대부분 이 쪽을 가리킨다. 엄밀히 발하자면 ‘근래의 이례적인 기온 변화’이지만 IPCC에서 ‘기후 변화’라면 이런 주제로 통용될 정도로 많이 쓰고 있다.

크게 인간에 의한 것이라는 인재설과 자연적인 현상이라는 자연순환설이 있다. 많은 수의 과학자들이 인재설(기후변화의 원인이 인간의 활동이라는 설)을 지지하고 있다. 자세한 내용은 지구온난화 진위 논점 항목 참고.

3.1 온실효과

온실효과 이론은 온실효과에 의해 지구온난화가 발생했다는 주장이다. 온실효과란 행성 표면에서 나오는 복사에너지가 행성의 대기를 빠져나가기 전에 온실가스에 의해 차단 및 흡수되어, 열 복사 평형 온도가 올라가는 현상이다. 대표적인 예로 지구에는 온실가스와 구름이 존재하기 때문에 온실효과가 전혀 없을 때보다 지구 표면과 대류권(troposphere)이 약 33℃(255K →288K)정도 따뜻하게 된다. 열 복사 평형은 태양으로부터 (편의상)100만큼의 에너지를 받고 표면에서 100을 다시 방출할 때 이루어진다. 지구의 대기가 없으면 복사 평형 시 온도는 255K(-18℃)이다. 이 때 온실효과로 일부 방출 차단이 발생하면, 새로운 평형 온도인 288K(+15℃)로 올라가 ‘흡수 100: 방출 100’양상을 되찾는다. 천체의 온도가 높을수록 방출되는 열 복사도 커지기 때문이다. 참고로 금성은 대기가 매우 두터워서 표면온도가 수성보다도 높다.
이렇듯 자연스러운 온실효과는 인간이 지상에서 살아갈 수 있는 환경을 만들어준다.

하지만 온실효과가 지나칠 경우 지구의 평균기온 상승을 유도하여 빙하가 녹고 이상기온현상이 일어나는 등의 부정적인 영향을 미치게 된다. 현재 온실가스의 과도한 발생에 따라 사회 문제로 대두된 것이 지구온난화와 관련이 있다. 물론 이 비정상적인 기온 상승과 그에 따른 현상들도 이 기후변화의 범주에 들어간다.

3.2 자연 순환(기후 변동 주기론)

자연 순환설은 지구온난화가 자연적인 현상으로서 자연의 주기 중 하나에 포함되는 현상이라는 가설이다. 따라서 자연 순환설은 기후 변동의 주기를 찾는 데에 초점을 맞추고 있으며, 태양활동 주기나 지구의 공전궤도 주기, 우주의 주기 등을 파악하고자 노력한다.

태양활동의 주기와 지구의 기후 사이의 연관성을 파악하는 연구는 수백 년 전부터 존재해왔다. 이 연구는 흑점 수나 태양복사량을 통해 태양활동을 파악한다. 1600년부터 측정된 태양복사량의 변화를 파악해보면, 400년간 태양의 활동은 꾸준히 증가 추세를 보이고 있으며, 지구의 기온도 역시 꾸준히 증가하고 있다. 더불어 소 빙하기가 왔던 1600년에서 1700년 사이의 경우에는 태양활동이 현저히 떨어져 있다. 참고로 17세기 구간에서 물결모양이 나타나지 않은 것은 데이터가 부족하여 추정치로 대체한 것이다.

리처드 윌슨이 나사 ACRIM 위성 세 개에서 관측된 자료를 모아 만든 1978~2003년의 25년치 태양복사 관계 자료에 따르면, 1970년대 말 이후 태양복사량이 거의 10년에 0.05% 정도 증가했다. 이 증가한 0.05%는 전체 인류가 사용하는 에너지의 양을 뛰어넘는다고 한다. 또한 윌슨은 이러한 태양복사량의 증가 영향이 1978년보다 이전부터 있었는지는 알 수 없지만, 20세기 내내 이런 영향이 계속 있었을 경우, 현대의 지구온난화에 크게 기여할만한 요소가 될 것이라 보고했다.

하지만 현재 모든 요인을 고려하여, 지구의 기후변화 주기를 파악하기는 어려운 시점이며, 따라서 기후변동 주기론에 기반하여 진행되는 연구들이 모두 같은 결론을 이끌어 내는 것은 아니다. 더구나 최근 들어 발생하는 단기적인 변화에 있어서도 설명이 조금씩 차이가 나기도 한다.

3.3 최근 관측 기록

한 때 이상 기온 상승의 사실 여부에 대한 의문도 있었지만 현재 기온 상승은 온도 측정결과에 따라 도출된 사실로 여겨지고 있다. 2007년 IPCC보고서에 따르면 산업혁명이 시작된 이래로 지난 100년동안 지구의 평균기온이 0.74℃ 올랐고, 그 중 지난 25년간 0.45℃ 상승하여 지난 100년의 2.4배의 상승속도를 보이고 있다고 한다.

아래 그래프는 1880년부터 2014년까지의 기온 변화를 나타낸 것이다. 출처는 NASA GISS. 전반적인 변화를 보면 1880년대~1930년대와 1950년대~1970년대에 제자리걸음을 하다가 1980년대~1990년대에 급격히 상승, 현재 계속 점진적으로 오르고 있다. 이 기간 기준 최근 20년동안 최고 기록을 갈아치운 연도는 1998년, 2005년, 2010년 그리고 2014년이다. 빨간 선은 전후 5년간의 평균을 나타낸 것이다.
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명심해야 할 점은, 기후변화는 몇십 년간의 자료를 바탕으로 도출해내는 결과들이지 단순히 한 해 한 해의 온도변화에 집착해서는 안 된다는 것이다. 그래서 기후학자들이나 환경운동가들은 "100년만의 무더위", "지난 50년간 최고 온도를 기록한 이번 여름" 따위의 언론보도에 회의적인 입장을 보인다. 물론 저런 언론보도가 대중의 관심을 이끌어내는 데에 큰 도움이 된다는 점은 인정하지만.

따라서 1970년에는 온도가 내려갔다는데? 1980년대에는 온도가 멈췄다던데 따위의 주장은 사실 기후변화 문제에 대한 딱히 의미 있는 반론이라고 보긴 힘들다. 아래 그래프를 보면 몇 년 단위나 하다못해 십 년 단위로 측정기온이 위아래로 요동쳐도 장기적인 기후변화는 분명히 일어나고 있다는 것을 알 수 있다.

이 50~70년도 시기에 단순히 탄소 배출량만 많았다고 해서 지구의 환경이 당장 변하는 것은 아니다. 전세계적으로 효과가 나타나기까지 지금까지의 시간이 걸렸을 뿐. 대기에 퍼진 독은 이제야 효과를 발휘했을 뿐이라는 것, 이를 반박하는 이들의 논리는 마치 사람이 맞는 규모의 마취제를 공룡에게 맞췄는데 왜 효과가 없냐고 말하는 것과 동일한 행위다.

3.4 최근 기온 상승의 세부사항

• 20세기 후반은 최근 1000년의 기간 중에서 가장 온도가 높은 시기였다. 물론 21세기가 그 기록을 갈아치울 가능성이 높다.

• 이산화탄소에 의한 지구온난화 모델에 따르면 대류권 온도는 높아지지만 성층권 온도는 오히려 낮아져야 한다. 실제로 성층권 온도를 관측한 결과 성층권 온도는 낮아지는 현상이 발견되었고, 온도 하락의 정도 역시 이산화탄소 모델에서의 예측과 거의 일치했기 때문에 이는 이산화탄소 모델의 중요한 근거 중 하나가 되었다. 단 성층권 온도가 낮아진 것은 오존층이 파괴되었기 때문으로 볼 수도 있다.

3.5 자연적 요소로 볼 때 기후변화에 대해 지금까지 알려진 점

여기서 인간에 의한 지구온난화를 지지하는 쪽이나 부정하는 쪽이나 ‘자연적 요인’과 ‘인위적 요인’ 중 한 쪽을 아예 반대하는 것은 절대 아니다. 지지하는 측에서도 지구의 온도 변화는 계속 요동치고 있다고 받아들이고 있고, 거기서 인위적인 영향이 비정상적인 기후 변화를 초래하였다고 보고 있다. 부정하는 입장 역시 마찬가지다. 인간의 영향으로 기후가 변화할 것이라는 전제는 세우고 있으며 단지 그 영향이 자연적 요소에 비하여 열세라고 주장하는 것이다. 어느 입장에서 보나 복합적 요인은 고려하면서 무엇이 주된 요소인가에 시선이 갈리고 있는 것이다.

현재 알려져 있는 기후 변화의 대표적인 자연적 원인은 지구의 자전과 궤도 변화로 인한 일사량 변화이다. 지축 경사와 궤도의 반지름과 이심률 등의 변화로 태양 복사 에너지가 변화하는 것이 기후 변화의 결정적 요인이라는 것이다. 밀란코비치가 이러한 요소를 바탕으로 과거의 지구 기온을 계산한 결과가 실제 지질학적 자료와 잘 맞아떨어졌기 때문에 이는 빙하기가 오는 이유를 설명하는데 있어서 정설로 인정받고 있다. 자세한 내용은 밀란코비치 이론 참조.

그러나 밀란코비치 이론은 현재의 기후변화를 설명하는 데는 큰 도움이 되지 않는다. 지구의 운동 자체의 변화는 수십 년~수백 년 정도의 단기간에 일어나는 변동을 다루기에는 적합하지 않기 때문이다. 마지막 빙하기가 끝난 후의 시대로 한정해서 보면 대략 기원전 6천년~4천년 쯤에 지구의 기온과 습도가 절정에 달했으며, 이 시기에 최초의 도시문명들이 나타났다. 그 후 기온은 전반적으로 점차 하락했는데 이 결과가 밀란코비치 이론의 예상과 부합한다. 현재의 기온 상승이나 50년대부터의 기온 하락, 10세기의 기온 상승이나 소빙하기 등의 기후 변화는 밀란코비치 이론에서 설명하는 장기간의 추세와는 별도의 변동으로 볼 수 있다.

일부 사람들은 소빙하기의 원인은 우주 먼지라고 주장하기도 한다. 즉 당시에는 태양계가 우주먼지의 농도가 짙은 지역을 지나게 되어 태양빛이 약해졌기 때문에 기온이 낮아졌다는 것. 흥미로운 주장이지만 적어도 1950년대 이후에는 그 정도의 변화는 충분히 관측할 수 있었으므로 50년대부터의 기온 하락이나 그 이후의 기온 상승과는 직접적인 관계는 없는 듯하다.

[1] 빙하코어 등의 연구로써 밝혀진 사실에 따르면 1만1천500년전 50년 동안에 기온이 7도 상승하는 사건이 있었다. 지구 평균기온이 100년동안 1도가 올라간 것으로 온갖 난리를 떨고 있는데, 50년 동안 7도가 상승했다는 것은 기후학적 대사건이라 할 수 있다. 하지만 인간에 의한 기후변화가 일어날 리가 없는 1만년 전에 이러한 변화가 있었다는 것은 지구의 운동변화나 인간의 인위적 활동 외의 아직 규명하지 못한 기후변화의 요소가 있음을 증명하는 것이다.

3.6 촉진된 온실효과의 결과

지구온난화의 결과 중 가장 널리 유명한 것은 바로 해수면 상승이다. 그린란드나 남극의 얼음은 육지에 있기 때문에, 이 빙하가 녹으면 ‘바다에 새로 물 붓는 격’이 되어 바다의 부피는 늘어난다. 바다에 있는 북극의 극빙은 애초에 물 위에 떠 있으므로 녹는다고 해서 해수면 높이에 영향을 주지 않지만, 사실 엄밀히 말하자면 역시 해수면을 조금 높인다. 그렇게 부피가 큰 극빙은 공기의 부력을 무시할 수 없고, 염도가 있는 바다에서는 물의 부력도 더 커지기 때문에 원래보다 더 떠올라 있다. 따라서 녹으면 추가로 떠오른 만큼 바다 부피를 더한다. 단지 육지 빙하에 비하여 영향이 아주 작을 뿐이다.

참고로 빙하는 육지에 눈이 쌓여서 생기는 것으로, 북극의 바다가 얼어서 생기는 것은 극빙이다. 물론 북극곰이 타고 노는 것도 극빙이다. 극빙의 두께는 평균 수 미터에서 십 미터 정도에 불과하다. 위에서 서술했다시피 극빙이 북극에서 전부 사라진다 해도 영향은 크지 않다. 단 얼음은 햇빛을 반사하는 비율이 높으므로, 극빙이 덮여있던 지역에 바닷물이나 육지가 노출되면 그만큼 태양 복사선을 많이 흡수하여 온난화를 촉진시킬 수 있다.

그러나 빙하가 녹는 건 다른 문제에 비하면 오히려 사소하다. 문제는 거의 모든 물체가 그러하듯 물도 온도가 오르면 체적이 팽창한다. 지구 기온이 오르면 바다의 체적이 팽창할 수 밖에 없다. 전 세계 바다의 체적이 단 몇%만 오른다고 해도 그 피해는 괴멸적일 수 있다. 게다가 체적이 팽창하면 밀도 등의 물리적 특성도 미묘하게 변하는데 그것이 일으킬 수 있는 일은 예측이 불가능하다.

또한 따뜻한 탄산음료 보다 차가운 탄산음료가 더 톡 쏘는 것에서 알 수 있듯이 가스는 액체의 온도가 내려가면 더 많이 녹고, 온도가 올라가면 액체에서 나와 방출된다. 현재 바다와 동토의 늪지에는 막대한 양의 온실가스가 녹아 있는데 온도가 올라가면 이 가스들이 방출된다. 일단 이런 일이 일어나면 잠자고 있던 악순환의 방아쇠가 당겨질 것으로 예상된다. 비관적인 견해를 가진 과학자들은 이 시작점이 2015년 이전일 것이라 예상한 바 있었다. 물론 2015년이 됐다고 해도, 당장 일어나지 않았을 뿐 위험은 상존해 있다.
이를 다룬 금성이란 만화에선 바다에서 가스배출→온도 상승→가스가 더욱 배출→온도가 더 상승. 이런 식으로 가서 결국엔 온도만 좀 낮을 뿐 금성과 유사한 환경이 된다는 후덜덜한 결론을 내기도 했다.
자세히 서술해보자면, 툰드라 지대의 영구동토층 속에 보관되어 있는 메탄 가스가 영구동토층이 녹으면서 방출된다. 메탄 가스는 지구온난화를 촉진한다. 그리고 영구동토층 (얼음과 눈)이 녹으면 지표면이 어두워지기 때문에 태양열을 더 많이 흡수하게 된다. 즉 지구온난화가 가속 되는 과정이 반복된다. 문제는 툰드라의 영구동토층 속보다 훨씬 더 많은 메탄 가스가 바닷속에 매장되어 있다는 것이고, 이게 언제 방출될 지는 아무도 모른다.
또, 온난화가 가속화되면서 바닷물, 민물의 증발량이 늘어나는데, 위 문단에서 서술했듯이 수증기는 아주 강력한 온실 가스이고 이산화탄소의 온실효과에 종속되어 있다. 한편 수증기는 기체-액체 상태변화가 빈번하여 지표로 금방 가라앉는 반면 이산화탄소는 대기 중 머무르는 시간이 300년에 달한다. 이 양성 피드백이 얼마나 오래 지속될지도 예측불허인 상황.

빙하가 녹으면서 제기되는 또 다른 문제는 그 동안 수십만 년 동안 빙하 속에 갇혀 있던 세균과 바이러스들이 다시 활개를 치게 될 수 있다는 점이다. 참고 기사또한, 수온 상승으로 인해 열대 등 다른 지역에 서식하던 해충이나 독성 동식물이 기존에는 살 수 없었던 지역에 이주 및 정착하게 되어 생태계 파괴 및 직접적인 피해를 입힐 수 있게 되었고, 실제로 이런 일이 벌어지고 있다.

지구 온난화와 빙하기가 전혀 관련이 없다는 사람이 있는데, 관계가 없거나 빙하기가 오는 것을 막는다고 장담하기는 어렵다. 지구의 기상상태는 해류에 의해서 결정되는데, 모든 해류는 이어져 있어 계속해서 순환하며 해류의 특징에 따라 그 지역 일대의 기후가 결정된다. 지구온난화로 인해 빙하가 녹을 경우 담수가 대양으로 대량 유출 되는데 이렇게 되면 해류의 흐름에 지장을 주기 때문에 지구에 기상이변을 일으킬 수 있게 된다. 즉 거꾸로 빙하기가 올 가능성도 없지 않으며, 지금까지의 빙하기도 이러한 원리로 인해 생겼다고 보기도 한다.

관련된 사항으로, 남극 세종과학기지의 윤호일 박사 등의 연구에 따르면 지구는 1950년대~70년대 사이부터 이미 소빙하기에 진입했으며, 최근의 이상기후는 그런 소빙기와 지구온난화의 충돌이라고 분석하기도 했다. 관련기사

그리고 연구가 지속되면서 지구 온난화는 지각 활동에도 영향을 비칠 수도 있다는 주장이 제기되고 있다. 온난화가 진행이 되면 육지의 빙하나 만년설도 녹게 되는데 이것들이 녹아서 사라진 만큼 판이 대륙판의 하중이 줄기 때문에 판의 움직임이 그만큼 격렬해져서 지진이 일어나게 된다는 것이다. 참고기사

4 지구 역사에서 말하는 기후변화

기후변화란 용어는 지질 시대 전반에 걸친 변화로도 지칭할 수 있다. 이하 추가 바람.

4.1 주요 원인

4.1.1 태양 활동의 변화

가장 근본적인 원인이라 할 수 있다. 지구로 들어오는 태양열이 낮으면 빙하기, 높으면 간빙기가 찾아온다. 간혹 지구온난화 인재설의 반박 예로 4억 4천만년 전인 오르도비스 빙하기(Ordovician glacial period)에는 이산화탄소 농도가 매우 높았는데도 기온이 매우 낮았다고 하는데, 사실은 이산화탄소 농도가 1000ppm대에서 500ppm대로 떨어지면서 시작되었다는 것이 정설이며 태양열 자체가 4%정도 낮았다. 참고로 최근 100년 간의 태양열 변화는 1365~1366W/m^2 수준으로 매우 미세한 변동을 보였다. 이 빙하기 때에는 그보다 훨씬 낮았으니 이로 인해 빙하기가 찾아온 것이 합당하다. # #

4.1.2 지구의 운동의 변화

태양 활동 외에도 지구 공전 주기를 고려하고자 하는 연구도 있다. 밀란코비치 주기이론이 그 대표적인 예다. 밀란코비치 이론은 “지구의 천체역학과 관련된 변화와 기후변화의 상관관계를 설명하는 데 있어 현대 과학자들이 가장 많이 이용하는 이론”이다. 지구 기후변화의 주요 원인은 지구에 복사되는 태양 일사량이며, 황도면에 대한 지구 자전축의 변동, 지축의 세차운동, 지구의 공전궤도의 변화라는 상호작용에 따라 태양 복사량이 변하는 것으로 보고 있다. 밀란코비치는 이론을 제시하는 데에 그치고 지구공전궤도 주기에 대해 밝히지는 못했지만, 오늘 날 많은 연구자들이 새로운 학설과 자료조사를 바탕으로 밀란코비치의 이론을 수정·보완하고 있다. 그 외에도 지구 공전 주기와 관련하여 뮬러/맥도널드 이론 등 많은 이론이 있으며, 우주주기와 관련된 이론도 많다.

4.2 지질 시대 별 변화

이 문서의 내용 중 전체 또는 일부는 지구온난화문서에서 가져왔습니다.</div></div>