기후변화

기후변화는 지구의 평균 기온이 변하는 현상이다. 지구의 기후변화를 일으키는 요인은 여러가지이다. 지구는 태양에서 오는 가시광선 등의 짧은 파장의 복사에너지를 받아 약 30%를 반사해 우주로 되돌려 보내고 나머지 70% 가량을 흡수한다. 흡수된 에너지는 적외선 등의 장파 복사로 재방출되는데 이 중 일부가 대기의 온실기체에 흡수되므로 지구의 기온은 온실기체가 없을 때의 복사평형 온도보다 높아진다. 언급한 과정들 중 변동이 생기면 지구의 기온이 변화하고 기후가 변화한다. 대기로 방출되는 온실기체의 양, 화산 활동으로 대기로 분출되는 화산재와 온실기체의 양, 반사도 변화를 야기할 수 있는 빙하 면적의 변화나 수륙 분포, 식생 분포의 변화 등이 기후변화의 요인이다. 또 태양활동도 기후변화의 요인으로 작용할 수 있다.

태양활동이 기후변화에 어떻게 작용하는지를 이해하는 것은 과학적 숙제 중의 하나이다. 태양조도(solar irradiance)는 지구 열수지의 근원이다. 총태양조도(total solar irradiance)는 태양활동에 따라 변화하므로 지구에 입사되는 에너지도 변하게 되고, 이에 따라 지구의 기후가 변할 수 있다. 태양활동은 또 고층대기에 영향을 주는 자외선 등의 짧은 파장대의 태양복사를 크게 변화시키므로, 파장에 따른 분광태양조도(spectral solar irradiance, SSI)의 변화도 지구의 기후 변화를 야기할 가능성이 있다. 그러나 알려진 연구 결과에 의하면 흑점주기 동안 총태양조도의 변화는 약 0.073 % 정도에 지나지 않고 분광태양조도 변화량도 충분하지 않기 때문에, 최근 문제가 되는 지구의 온난화는 태양활동으로 설명할 수 없다(그림 1 참조). 그럼에도 불구하고, 태양 자기장이 유발하는 은하우주선(Galactic Cosmic Ray, GCR)의 입사량 변화에 의한 전기적 효과라든지, 유도된 반사도(albedo) 변화 효과 등에 의한 2차 효과는 계속 연구되고 있다.

그림 1. 온도, 대기 중 이산화탄소 양, 태양흑점 분포. 1987년 이후 태양활동과 기온과의 상관성이 감소하였음에 주목하자.(출처: )

목차

1801년 허셸(William Herschel) 은 영국의 밀 가격과 태양흑점과의 관련성에 대해 영국 왕립학회에 보고함으로써 태양활동과 기후의 관련성을 처음으로 연관 지었다. 그러나, 본격적으로 과학적 논의를 시작한 사람은 에디(Joen Eddy)이다. 1976년 그는 사이언스지(Science)에 1645년부터 1715년 사이 태양흑점이 거의 관측되지 않던 몬더극소기(Maunder minimum)를 밝히면서 이 시기가 유럽의 소빙기와 겹친다고 제안했다. 흑점이 많을 때 백반(faculae)의 수가 많아져서 지구로 입사되는 에너지가 증가하고 결과적으로 지구 대기의 온도를 높인다고 설명하면서 태양활동과 지구 기후와의 연관성을 확립하였다.

지구는 태양에서 오는 가시광선 등의 짧은 파장의 복사를 받아 일부를 반사해 우주로 되돌려 보내고 나머지를 흡수한다. 흡수된 에너지는 적외선 등의 장파 복사로 재방출되는데 이 과정이 평형을 이루면 이를 복사평형 상태라고 하고 이때의 온도를 복사평형 온도라고 한다. 흡수하고 재방출하는 과정에서 대기의 온실기체가 장파 복사를 흡수하면 지구의 복사평형 온도는 온실기체가 없을 때보다 높아진다. 따라서 태양 에너지의 강도가 변한다든지, 구름 분포나 식생 변화에 따른 지구의 반사도가 변한다든지, 온실 기체의 양이 달라지면 지구 열수지가 달라진다. 열수지 변화를 야기하는 요소가 갖는 영향력을 복사강제력이라고 한다(그림 2 참조). 복사강제력이 양의 값이면 지구가 우주로 재방출하는 양보다 흡수하는 양이 많다는 의미이므로, 결과적으로 지구의 기온을 높이게 된다.

복사강제력은 다음과 같이 정의한다:

@@NAMATH_DISPLAY@@ \Delta T_s =~ \lambda~\Delta F @@NAMATH_DISPLAY@@

여기에서 @@NAMATH_INLINE@@\Delta T_s@@NAMATH_INLINE@@는 유도된 온도 변화이고, @@NAMATH_INLINE@@\Delta F@@NAMATH_INLINE@@는 복사강제력이다. 상수 @@NAMATH_INLINE@@\lambda@@NAMATH_INLINE@@는 민감도 요소인데 대략 @@NAMATH_INLINE@@0.8 K/(W/m^2)@@NAMATH_INLINE@@이다. 기후 변화에 관한 정부간 패널(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에 의하면 태양의 복사강제력은 인류의 영향에 따른 복사강제력에 비하면 매우 작다.

그림 2. 2007년에 기후 변화에 관한 정부간 패널에서 발표한 복사강제력. 태양조도의 복사강제력과 다른 것을 비교할 수 있다.(출처: )

1994년 미국 연구평의회(US National Research Council)는 인간이 본격적으로 이산화탄소를 대기로 방출하기 전이라고 할 수 있는 산업혁명 이전 시기에는 총태양조도가 기후 변화의 주요 원인이었으나 현재는 다른 요소가 더 중요하다고 결론지었다. 총태양조도는 흑점이 더 많이 발견되는 시기에 더 높다. 흑점을 만드는 것은 강한 자기장인데 이 때 백반과 플라쥐 등 평균 광구보다 온도가 높고 밝은 활동지역도 많이 발생한다. 태양에서 방출하는 플럭스는 온도의 4승에 비례하기 때문에 결과적으로 흑점에 의해 감소되는 플럭스보다 전체적으로 나오는 태양 플럭스가 많아지게 된다. 아울러, 활동지역에서는 자외선 복사가 강한데 이는 지구 대기의 오존층에 의해 흡수되어 화학 성분을 변화시키는 등 고층대기의 역학관계에 변화를 야기해 준격년진동(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)으로 대류권에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 실제로 미국과 유럽의 기후에 영향을 주는 북대서양진동(North Atlantic Oscillation) 등이 QBO에 따라 변조되고 있음이 잘 알려져 있다.

유럽 입자 물리 연구소(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)의 클라우드(Cosmics Leaving Outdoor Droplets, CLOUD) 실험에 의하면 지구 대기에 유입되는 은하우주선은 중성 입자들을 전리시킴으로써 구름 생성에 필요한 응결핵을 효과적으로 만들어낸다. 흑점주기에 따라 지구 대기에 입사되는 은하우주선의 양이 변하기 때문에 구름의 양이 달라져 총태양조도보다 반사도 변화를 효과적으로 유발하여 기후를 변화시킬 수 있다. 이 설명이 매우 타당해 보이지만 모든 과학자가 이 설명에 동의하는 것은 아니다. 왜냐하면 아직은 은하우주선의 양과 구름의 양과의 상관관계에 대한 해석이 완전히 일치하지 않고, 구름의 고도에 따른 기후 변화의 역할이 다르기 때문에 은하우주선이 구름 생성에 어떻게 영향을 미치는지 정확히 이해할 필요가 있기 때문이다. 한편 은하우주선이 황산화물이 있을 때 에어로솔 형성을 돕는다는 주장도 있다. 이는 암모니아가 추가로 필요한 하층대기에서는 에어로솔 형성을 설명하기에 불충분하지만, 은하우주선이 에어로솔 형성을 돕는다면 또 다른 반사도 변화 요소를 기대할 수 있기 때문이다.