기후의 역습

전세계적인 기후변화, 그 한가운데에서



지구는 열병을 앓고 있다

산업화가 시작된 18세기 무렵에 15 C였던 지구의 평균기온이 오늘날에는 15.6 C이다. 아직은 0.6 C가 올라간 정도이지만, 현재 상태로 계속 더워진다면 수십 년 후에는 기온이 더 상승하여 지구는 심각한 열병에 시달릴 것이다. 기온 상승은 지구시스템의 평형을 잃게 하여 열병에 걸린 지구는 해수면이 상승하고 만년설이 사라지며, 기상이변이 잦아지는 등의 증상을 보인다. 지구의 이상적인 온도는 아직 명확하게 규명되어 있지 않지만 지난 수백 년 동안 지구는 15 C를 유지해 왔고, 인간이 이 상태에서 잘 살아 왔다는 것은 확실하다.



산업화의 시작과 함께 인간이 기후에 영향을 미치기 시작하였다. 인간이 태우는 석탄에서 발생하는 엄청난 양의 이산화탄소는 지구의 대기권을 구성하는 성분으로 식물에게는 없어서는 안 되는 기체이다. 이산화탄소에는 적외선을 흡수하는 기능이 있는데 19세기 말 처음 이산화탄소와 기온의 관계를 발견하였을 당시 학자들은 지구가 방출하는 적외선 파장의 일부를 대기 중의 이산화탄소가 흡수하기 때문에 지구가 따뜻하다고 유추하였다. 스웨덴 학자 아레니우스는 이러한 이론에 기초하여 대기 중에 이산화탄소가 두 배 증가하면 지표면과 대기층의 온도는 전 세계적으로 대략 4~6 C 상승한다는 계산을 내놓았다. 그는 이를 통해 빙하주기와 같은 과거의 기후변동을 설명하고, 거시적인 안목으로 미래의 기후를 예상하고자 하였다. 그가 밝힌 메커니즘은 오늘날에도 그 중요성을 인정받지만, 그는 아주 결정적인 부분을 간과했다. 당시만 해도 인간에 의한 이산화탄소의 배출량이 이렇게 급증하리라고는 상상할 수조차 없었기 때문에 지금에 비하면 극소량에 해당하는 양을 적용시킨 것이다. 그 시대에는 어느 누구도 생활수준이 이렇게 빨리 향상될 것이라고 예측할 수 없었으므로 그가 '인간이 기후에 미치는 영향은 적다'는 결론으로 노벨상을 수상한 사실이 이상한 일은 아니다. 그러나 오늘날 우리는 급증하는 이산화탄소의 배출을 줄이는 방향으로 언제쯤 세계경제가 급선회할 지에 대해 생각해 보아야 한다. 이러한 상황이 계속된다면 21세기 중에 머지않아 대기 중 이산화탄소의 농도가 두 배로 증가할 것이기 때문이다.



지구의 온도가 몇 C 상승하는가 하는 문제를 대수롭지 않게 생각하는 사람이 많다. 지난 15만 년 전부터의 온도변화와 앞으로 100년 안에 일어날 수 있는 온난화를 예측하여 비교한 결과, 온난화로 인해 지구의 평균온도가 20 C를 향해 치솟고 있음을 볼 수 있다. 이는 인류역사상 가장 높은 온도이다. 실제로 최근의 기후현상은 잦은 온도변화를 보인다. 2만 년 전 마지막 빙하기에는 지금보다 훨씬 추웠으며, 12만 년 전의 간빙기의 온도는 지금과 비슷하다. 인간의 영향이 없다면 지구는 이제부터 1만 년 주기로 돌아오는 다음 빙하기로 접어들 텐데, 인간이 기후시스템을 간섭하고 있는 것이다. 인간이 지금처럼 화석연료들을 사용했을 때, 기후에 영향을 미치는 가스들과 이산화탄소들이 계속 배출되어 지구는 엄청난 기후변화를 맞게 된다는 것은 분명한 사실이다. 또한 지구 온도의 작은 변화가 기후에 치명적인 변화를 초래한다는 것도 확실하다. 전 세계적으로 온도가 몇 C 올라가는 것을 가볍게 보아 넘겨서는 안 된다.



세계가 점점 가라앉는다

전 세계적인 기후변화의 징후는 온도상승뿐 아니라, 해수면의 상승에서도 확인할 수 있다. 해수면에 무슨 일이 생긴 것이며 해수면이 상승한다면 도대체 얼마나 상승할까? 해수면의 상승은 무척 느리게 반응하여 심지어는 지구의 온도 상승보다도 더 더디다. 해수면은 지난 100년 동안 전 세계적으로 대략 10~20cm 상승했는데 이의 확실한 흔적은 지난 수십 년 간 인공위성에서 측정한, 시간에 따른 해수면의 변화를 통해 얻을 수 있다. 해수면은 육지의 얼음이 녹을 때 상승한다. 극해의 얼음 또는 유빙(遊氷)이라고 부르는 바다에 떠다니는 얼음은 녹더라도 해수면 상승에 영향을 주지 않는다. 그래서 산악지역의 만년설이나 그린란드, 남극지방의 거대 빙하가 녹아야 해수면이 상승한다. 실제로 지난 100년 간 해수면이 상승한 원인의 절반은 산악지역의 만년설이 녹았기 때문으로 추정된다. 또 하나의 해수면 상승 과정은 지난 100년 간 바다가 더워졌다는 사실이다. 다양한 깊이에서 측정한 바다의 온도가 이를 뒷받침해 주는데, 물질은 가열되면 팽창하므로, 바다도 더워지면 물기둥이 확대되어 해수면이 상승한다. 만일 그린란드와 남극지방의 거대 빙하까지 모두 녹아 버린다면 해수면은 80m까지 상승할 수 있다. 그렇게 되면 정말 쾰른 대성당까지 물에 잠길 것이 자명하다. 다행스럽게도 해수면의 상승 속도는 매우 느려서, 앞으로 100년 간 그다지 큰 영향력은 없을 것 같다. 하지만 지금처럼 온난화가 계속된다면 장기적으로는 극지방의 얼음 층이 녹고 바다가 더워져서 심각한 위협이 될 수 있다.

지구촌 곳곳의 극심한 날씨변화

지구가 이대로 계속 더워진다면 더 많은 물이 증발하여 전 세계적으로 비나 눈이 더 많이 올 것이다. 빙하기가 오늘날에 비해 더 건조했는데, 그린란드와 남극의 빙하에서 많은 양의 먼지가 관찰되었다는 사실이 이를 뒷받침한다. 강우량의 증가는 전 세계적으로 골고루 더 많은 비가 내린다는 의미가 아니라 비가 많이 오던 지역에서는 더 많은 강우가 집중되고, 비가 적게 오던 지역에서는 강우가 더욱 줄어드는 것으로 나타나며, 이러한 현상은 이미 유럽에서 확인되고 있다. 메마른 사하라 사막은 더욱 커지는 반면 퍼붓는 빗물에 잠기는 지역이 생길 것이고 인도에는 태풍이 더 심해질 위험이 예상된다.

이러한 기상이변에는 일정한 성향이 있는데 북반구의 중북부 지역에서는 지난 50년 간 호우성 강우의 빈도가 증가했으며, 앞으로 더욱 강한 호우를 경험하게 될 것이다. 독일 바이에른 주 알프스산맥에 위치한 호헨파이센베르그에서의 측정 자료에 따르면 1950년 이전에는 집중호우가 오는 날이 1년 중에 한 번도 없거나 있더라도 한 번 정도였다면, 오늘날에는 점점 늘어나는 추세이다. 호헨파이센베르그에서 관찰된 집중호우의 횟수는 지난 100년 간 두 배로 증가했다. 호우가 심해지면 홍수의 위험이 증가한다. 독일 라인 강 유역의 쾰른은 1993년 12월에 이어 다시 13개월 만인 1995년 1월에 도시가 물에 잠기는 대홍수를 잇따라 만났다. 오늘날 독일 서부와 남부 지방의 홍수 위험도는 100년 전에 비해 열 배정도 높아졌다고 한다. 이상기후는 지난 50년 간 호황을 누려 왔다. 거의 전 세계에서 최고기온을 기록했으며 여름이 길어지고 무더운 날이 잦아졌다. 또 밤 기온이 올라가서 낮과 밤의 일교차가 줄었고 겨울이 짧아졌으며 영하의 추위가 줄어들었다. 온실가스의 배출을 확연히 줄이지 않는 한, 이러한 일련의 현상은 미래에도 지속될 것이다. 오늘날 일어나고 있는 기상이변의 일정한 성향은 결코 우연이 아님을 알아야 한다.





기상과 기후, 더 이상 바꾸면 안 된다



예측불허의 기상

미국 남부 캘리포니아 라 호야에 있는 캘리포니아 대학 연구소 중 하나인 스크립스 해양학 연구소는 여러 분야의 연구자들을 만날 수 있어 학자들이 선호하는 곳이다. 그곳에서 만난 해양학자 킬링을 통해서 지난 수십 년 동안 대기 중의 이산화탄소 농도가 급격하게 증가했음을 알게 되었다. 또 오존구멍의 존재를 규명하는 데 공헌을 세워 노벨화학상을 수상한 네덜란드 학자 폴 크루첸도 만날 수 있었는데 이러한 여러 학자들과 대화함으로써 확실하게 알게 된 것은, 기후문제를 기상과 떨어뜨려서 생각할 수 없다는 것이다. 기후의 진행 상황을 이해하려면 화학적 프로세스까지 포함하여 지구시스템을 종합적으로 다루지 않으면 안 된다.



지구에 기상 또는 날씨라 부르는 바람, 구름, 비, 눈, 더위, 추위 등이 발생하는 이유 중 하나는 태양이 지구를 불공평하게 비춰서 적도지방을 극지방보다 더 뜨겁게 데우기 때문이다. 대기는 이러한 극단적인 온도 차이를 극복하고 서로 평형을 유지하기 위해 이동한다. 적도 부근의 열대지방에서 데워진 공기는 상승하여 극지방으로 이동하는데, 지구의 자전운동 때문에 균일하게 움직이지 못하여 극지방에 도달하기 전에 아열대 지방에서 하강한다. 아열대 지방에는 구름이 형성되기 어려워 비가 적고 기온이 높은 사막이 형성되기 쉬운데 지구에서 가장 큰 사하라 사막이 생긴 것도 이 때문이다. 태양이 지구를 고르게 데워 주지 않아서 이에 대한 균형을 맞추기 위해 중력이 작용하고, 여기에 지구의 자전운동이 가세하면서 바람이라는 매우 복합적인 시스템이 만들어진다. 저기압대는 찬 공기와 더운 공기가 섞이는 대서양에서 주로 생성되는데, 이것은 뜨거운 열대지방과 북반구의 차가운 고위도지방 사이의 온도 차이를 좁혀 주려는 것이다. 이것이 없다면 극지와 적도의 온도 차이는 더욱 컸을 것이다. 따라서 저기압대인 중위도지방에 위치한 독일에서 2003년 일어난 살인적인 폭염은 중위도지방에서는 발생하지 않는, 일종의 예외에 해당한다고 할 수 있다.



기상이란 학문적으로 혼돈(카오스)의 상징이다. 카오스이론을 정립한 기상학자 에드워드 로렌츠는 1960년대 초 대류현상에 대해 연구하여 이를 수학모델로 재현하였는데 이를 로렌츠 모델이라고 한다. 특히 여름에 쉽게 관찰할 수 있는 대류현상은 대지가 더 뜨겁게 데워지면 또 다른 형태의 규칙적인 운동이 생기면서 서로 겹치는데, 이것은 결국 혼돈이라고 부르는 완전히 불규칙한 상태에 이르게 된다. 로렌츠 모델에서는 하나의 시스템이 특정 상태를 계속 유지하려는 '지배 속성'을 시뮬레이션 했다. 이러한 특성은 기후에서도 찾아볼 수 있는데 편서풍은 한곳에 오랫동안 머물면서 수주일간 비를 뿌리고, 안정적인 고기압대는 차분하고 맑은 날씨를 선사해 준다. 이러한 기후대의 교차는 자연발생적으로 생성되며 로렌츠 모델에서도 나타나는데, 예상하기가 매우 힘들다.



로렌츠는 자신이 개발한 수학모델의 특성을 연구하다가 놀라운 현상을 발견했다. 바로 '나비효과'라 불리는 것이다. 로렌츠 모델은 전형적인 연산을 수행하면 특정 기간 시간의 흐름에 따른 모델 변동수를 알아낼 수 있으며, 이것을 기상현상에 대입하면 고기압대와 저기압대가 특정 시간대에 교차되는 것을 시뮬레이션 할 수 있다. 그런데 이 연산에서 시작점의 값을 달리 하면, 처음에는 동일한 기상 현상이 일어나지만 일정 시간이 흐른 뒤에는 기존의 현상과는 비교할 수 없을 정도의 전혀 다른 현상이 일어난다는 사실이다. 시작점의 아주 작은 변화로도 비교적 짧은 시간 내에 기상현상에 근본적인 변화를 가져올 수 있다. 이것은 초기에는 아주 유사하게 보이는 기상현상도 매우 빨리, 서로 판이하게 다른 날씨로 발전해 갈 수 있다는 것을 의미한다. 나비 한 마리의 날갯짓만으로도 -전 세계적인 기상현상의 차원에서 본다면 분명히 아주 작은 교란에 불과하지만- 미래에 커다란 기상변화를 일으키기에 충분하다. 그러므로 나비란 장기적으로 볼 때 '종잡을 수 없는' 것이다. 이러한 나비효과 이론은 오늘날 사회과학 분야에서도 활발하게 응용되고 있으며 오늘날 같은 세계화시대에는 디지털과 매스컴의 혁명으로 정보의 흐름이 빨라져서 나비효과는 사회적으로 더욱 큰 파장을 일으킨다.



날씨와 기후는 서로 밀접한 관계가 있지만 그 뜻은 분명히 다르다. 날씨는 어느 시점에 나타나는 기상 상황을 의미하고 기후는 장기적이고 종합적인 기상 상황을 뜻한다. 날씨와 기후를 변화시키는 대기 운동은 서로 달라서, 기상예보와 기후예측은 각각의 전문가가 담당하는 다른 분야이다. 일기예보는 현재의 기상상태, 즉 시작점의 상태를 기상예보모델에 입력하여 계산하는 것이다. 기상예보 모델 자체가 완벽하지 않지만, 설사 완벽하다고 하더라도 예보 기간이 길어질수록 기상예상은 점점 더 불확실해진다. 시작점의 상태를 정확하게 파악할 수 없기 때문이다. 아마존 지역에서 지표면의 기압이나 온도를 측정할 때 수천 분의 일에 해당하는 미미한 오차만 있어도, 일기예보는 며칠 후에는 아무 쓸모 없는 것이 되어 버린다. 초기의 오차는 매우 빨리 큰 폭으로 증가하는데다가 대기의 순간적인 상태를 정확하게 그리며 전체적으로 파악하는 것 또한 불가능하고 완벽하게 정확한 기상예보모델을 개발할 수도 없으므로 먼 장래에도 2주를 넘어서는 장기예보는 불가능할 것이다.



혼돈한 기후현상에도 질서가 있다

2주간 이상의 일기예보가 불가능하다면 수십 년 후, 심지어 수백 년 후에 있을 지구규모의 기후변화를 예측하는 것은 어떻게 가능할까? 이러한 의문점을 해결하기 위해서는 먼저 '기후'에 대한 정의부터 따져 보아야 한다. 기상과 기후 사이에는 중요한 차이가 분명히 존재한다. 기상이란 대기의 현재 상태를 표시하는 것이며, 기후는 이론적으로 예측할 수 있는 기상현상의 한계를 넘는 장기간에 수집된 기상현상을 통틀어서 보는 것이다. 즉 기후관련 연구에서는 개별적인 현상이 아니라 장기적인 경향에 초점을 맞추며 대기의 '거시적인' 측면을 중요하게 본다. 시스템의 거시적인 성격은 미시적인 부분에서는 다소 맞지 않더라도 경우에 따라서는 예측할 수 있다. 계절은 천문학적인 요인들에 의해 결정되는데 대기현상에서 천문학적인 요인을 주변조건이라 하고, 이 주변의 조건을 알면 날씨와 같은 혼돈 시스템의 성격을 결정적인 상황 하에서 예측할 수 있다. 열대지방의 폭풍을 예로 들어 보자. 폭풍은 인도양과 태평양에서는 태풍, 대서양 연안에서는 허리케인이라 부른다. 북반구에서는 태풍과 허리케인이 바닷물 온도가 26.5 C를 넘는 여름과 가을에 생긴다. 이 온도 이하에서는 강력한 폭풍우의 연료를 제공해 주는 충분한 양의 물이 증발되지 않기 때문에 폭풍은 거의 예외 없이 매년 하반기에 10~20개 정도 발생하고 상반기에는 일어나지 않는다. 우리는 폭풍이 특정 계절에만 발생한다는 것을 예측할 수 있으며, 여기에 맞추어 휴가 등의 계획을 짠다.



오늘날에는 엘니뇨를 발생 몇 개월 전부터 예측할 수 있다. 엘니뇨는 동남아 지역과 오스트레일리아 일부 지역에 장기적인 가뭄을 가져오고 페루에 수주일 동안 호우를 발생시키는 등 열대지방 기후변화의 원인이 된다. 나와 스크립스 연구소의 팀 바넷과 함께 개발한 기후예보모델을 사용하면 해당되는 주변 조건을 제공하는 것만으로 기후를 예측할 수 있다. 인간은 이산화탄소로 대표되는 여러 가스를 방출시켜 대기의 화학적 조성을 변화시켰으며, 이는 기후에 중대한 영향을 미치는 주변 조건을 변형시킨다. 우리는 시뮬레이션을 통하여 특정한 주변 조건이 바뀔 경우 그에 따른 장기적인 기후예측을 할 수 있다는 사실을 확인하였다. 기상의 혼돈성과 예고의 한계성은 있지만 장기적인 기후예보를 전혀 할 수 없다고는 볼 수 없다. 더불어 기후에서 인간이라는 변수가 미치는 정도도 계산해낼 수 있다.

움직이는 지구 : 사계절과 빙하기

자연현상 중에서 기후에 영향을 미치고 변화를 일으키는 요소는 매우 많다. 이러한 자연적인 기후변동은 인간이 기후에 영향을 미치는 부분을 알아내기 힘들게 한다. 또한 기후변화는 지구 밖의 외부요인으로부터도 생길 수 있다. 태양 빛에 변화가 생기거나, 화산 폭발로 인해 화산재 등의 회색 장막이 지구를 뒤덮어 1~2년 동안 냉각되기도 했다. 거대한 유성과 지구의 충돌도 기후에 엄청난 영향을 미치는데 학자들은 수백만 년 공룡이 멸종한 원인이 당시의 유성 충돌이라고 추정한다. 기후 변화는 외부 요인 없이도 대기, 바다, 얼음, 그리고 생물계와의 상호작용 등으로 구성된 지구시스템을 통해 일어날 수 있다. 비교적 잘 알려진 엘니뇨는 바다와 대기의 상호작용을 보여 주는 대표적인 예이다. 엘니뇨는 보통 2~7년 준주기적으로 발생하여 1~2년 간 혹은 더 긴 기간 동안 동태평양 부근의 해수면