탄소 순환

지구의 생물권, 토양권, 지권, 수권 그리고 대기권에서 일어나는 탄소의 생물지화학적 순환을 말한다.¹⁾ 탄소는 탄수화물, 지방, 단백질 및 생명에 필요한 여러 화합물을 구성하는 생물의 기본 뼈대를 구성하는 원소이다.²⁾ 질소순환, 물순환과 함께 생명이 가득한 지구를 유지하는데 중요한 순환과정이다. 최근 인간의 활동으로 인한 대기권에서의 이산화탄소, 메탄 등의 온실가스 증가는 기후온난화를 야기하고 있다.

목차

전 지구적 탄소순환은 대기권, 육상 생물권, 해양, 화석을 포함한 암석권, 맨틀과 지각을 포함한 지권(지구 내부)의 탄소 저장고로 구분할 수 있다. 탄소순환 과정에서 각각의 탄소저장고는 화학적, 물리적, 지질학적 그리고 생물학적 작용에 의해 상호 연결되어 있고, 인간의 간섭이 없다면 상당히 안정적인 균형을 이룬다.¹⁾²⁾ 최근 증가하는 인간의 영향은 탄소순환에 많은 영향을 미치고 있다.

생태계내 이산화탄소의 순환 (출처:한국식물학회)

대기권에서 탄소는 온실효과를 야기하는 이산화탄소와 메탄의 가스 상태로 존재한다. 메탄은 온실효과는 크지만 이산화탄소보다 훨씬 낮은 농도로 존재하고, 수명이 짧다. 이산화탄소는 광합성작용으로 대기권에서 육상이나 해양 생물권으로 이동을 한다. 이산화탄소는 물에 잘 녹으므로 대기권으로부터 바다, 호수 등의 수생태계로 직접 용해되고, 빗물에도 녹는다. 물에 녹은 이산화탄소는 탄산을 형성하여 해양의 산도에 영향을 미친다. 물에 녹은 탄산염은 암석에 흡수될 수도 있다. 지난 두 세기 동안 인간에 의해 많은 화석연료의 연소로 인해 대기권의 이산화탄소 농도가 크게 증가하였고, 지금도 증가하고 있다.

육지의 생물권에서 탄소는 토양, 살아있는 생물 그리고 죽은 유기물에 존재한다. 생물보다는 토양에 더 많은 토양이 저장되어 있다. 육지생물권의 대부분의 탄소는 유기탄소의 형태로 존재하지만 토양에 있는 탄소의 1/3 정도는 탄산칼슘과 같은 무기물 형태로 저장되어 있다. 광합성을 통하여 생산자인 식물이 대기권의 이산화탄소를 유기탄소로 전환하고, 먹이망을 따라서 유기물이 이동한다. 모든 살아있는 생물들은 호흡이라는 과정을 통하여 유기탄소를 에너지원으로 사용한 후 이산화탄소의 형태로 대기권으로 탄소를 이동시킨다. 죽은 유기물의 형태로 저장된 탄소도 최종적으로 분해자의 호흡과정에 의하여 대기권으로 이산화탄소의 형태로 이동한다. 육상생물권에서 탄소의 흡수는 주로 생산자의 활동에 의하여 이루어지므로 이들의 활동에 영향을 미치는 일주기 혹은 계절주기에 따른 조건과 자원의 변화에 따라 달라진다. 지구에서 북반구가 남반구보다 육지가 넓으므로 육상 생물권의 영향은 북반구에서 더 중요하다. 육상 생물권에서 탄소는 호흡이나 연소에 의해 대기권으로 이동한다. 육상 생물권의 일부 유기탄소는 강을 통해 해양으로 이동한다. 일부 유기탄소는 토양에 불활성의 형태로 장기간 저장된다. 토양에 저장된 탄소는 토양호흡과정에 의해 대기권으로 이동한다. 일반적으로 기온이 올라가면 토양호흡량이 증가한다. 따라서 지구의 기온이 올라가는 기후온난화는 토양호흡에 의한 대기권으로의 탄소 이동을 가속화할 수 있다.

지구의 2/3는 해양으로 덮여 있다. 탄소는 물에 매우 잘 녹는다. 따라서 해양에서의 탄소의 전환속도와 저장된 탄소의 양이 매우 많아서 탄소순환에서 아주 중요하다. 해양의 표면에서는 대기권과의 교류가 활발하게 일어나고, 깊은 대양에서는 용존 무기탄소의 형태로 탄소가 저장된다. 육상 생물권에서 강을 통하여 해양으로 많은 양의 유기탄소가 이동한다. 육상 생물권과 마찬가지로 먹이망을 통하여 생물들 사이로 탄소가 이동을 한다. 호흡이나 분해과정에 의하여 해수로 혹은 대기권으로 탄소가 이동한다. 먹이망에서 이탈한 유기탄소나 탄산칼슘의 형태의 무기탄소는 깊은 해양 속에 침전, 퇴적될 수 있다. 융기나 침식과 같은 지각활동은 탄소를 육상이나 해양으로 이동시킬 수 있다. 해양은 인간이 대기권으로 배출한 이산화탄소의 주요 흡수원으로 대기권에서 이산화탄소의 농도가 빠르게 증가하는 것을 완화시키는 완충역할을 한다. 그러나 최근 많은 이산화탄소의 해양 부하는 해양 산도를 증가시키고 탄산칼슘으로의 생물학적 침전 속도를 늦출 수 있다. 이것은 해양의 완충능력을 감소시킨다.

지질학적 작용도 탄소순환에 영향을 미치지만 생물권을 포함한 다른 구성 요소들에서 벌어지는 사건들에 비하면 서서히 작용한다. 그러나 대기권에서의 탄소 농도를 변화시키는 가장 중요한 요인 중의 하나이다. 지구내부에서 탄소의 대부분은 암석권에 불활성인 형태로 저장되어 있다. 지구의 맨틀에 있는 탄소는 지구의 형성시기에 저장된 것이다. 맨틀에 저장된 탄소는 화산이나 열수구를 통하여 대기와 해양으로 방출될 수 있다. 지층에 저장된 탄소는 생물권으로부터 유기탄소의 형태로 퇴적된 것이다. 지층에 저장된 상당수의 탄소는 해양생물의 껍질에 저장되었던 탄산칼슘의 침전으로 형성된 석회석이고, 일부는 육상생물의 퇴적 및 매장되어 높은 열과 압력으로 변형된 석탄과 석유 등의 화석연료이다. 지층에 저장된 유기탄소는 수 백 만 년간 지층에 머물러 있을 수 있지만 인간에 의해 아주 빠르게 대기권으로 이동할 수 있다.

산업 혁명이후 인구는 폭발적으로 증가하였고 1인당소비량도 크게 증가하였다. 이것은 지권에 있던 화석연료의 이용으로 가능한 일이었다. 인간에 의한 화석연료 소비의 급증은 탄소순환 과정에 참여하는 주요 요소들의 기능이나 역할을 변화시켰고, 대기권으로의 탄소 이동을 촉진하여 지구적 탄소순환을 변형시켰다.³⁾ 화석연료의 사용과 더불어 토지이용의 변화, 산림벌채, 도시 건설을 위해 사용되는 시멘트의 생산으로 인한 이산화탄소 방출 등도 탄소 순환에 미치는 인간의 직접적인 영향이다. 인간에 의한 육상과 해양 생물권의 훼손이나 변형은 간접적으로 지구의 탄소순환에 영향을 미친다.

2015년 세계기상기구(WMO)는 전 지구 대기권의 이산화탄소 농도가 400ppm을 기록했다고 발표하였다.³⁾ 한국의 대기는 그보다 더 높은 농도에 도달했고, 증가속도도 더 빠르다고 기상청이 보도자료를 통하여 발표하였다.³⁾ 파리협정은 2015년 파리에서 열린 유엔 기후변화협약에서 채택된 조약이다.⁴⁾ 2015년 12월 12일 195개국이 채택하였고, 2016년 11월 4일부터 포괄적으로 적용하는 국제법으로 효력이 발효되었다. 지구온난화 과정에서 역사적 전환점이다. 많은 책임이 있는 2017년 6월 미국의 탈퇴에도 불구하고, 세계탄소 배출의 87%에 기여하는 200여개 국가들이 협정을 이행하고 있다. 주요 내용은 지구의 평균온도상승폭을 산업화이전 대비 2℃이하로 유지하고, 온도 상승폭을 1.5℃ 이하로 제한하기 위해 노력하기로 하는 것이다. 이를 위하여 각국은 스스로 온실가스 감축 목표를 정하고 그러한 목표를 달성하기 위해 실천하며 국제 사회는 그 이행을 공동으로 검증한다.

한반도 전세계 평균치보다 빠르게 이산화탄소 농도 증가(기상청 보도자료) (출처:한국식물학회)

1.
2. 김준호, 문형태, 민병미 외 (2006) 생태와 환경. 라이프사언스, 72-75
3. 기상청 보도자료(2016. 10.24)
4.