지구의 기온이 지금 서서히 상승하고 있으며, 이대로 진행된다면 21세기 중반에는 1 - 4oC의 기온 상승이 일어날 것으로 예측되고 있다. 우리들이 일상생활에서 느끼는 감각으로 보면, 연간 최고, 최저 기온의 차가 우리나라 각 지역에서 거의 40oC 정도나 되기 때문에 이 정도의 기온변화가 인간생활에 그렇게 중대한 영향을 미칠 것이라고 생각하기 어렵지만, 지구의 오랜 자연사를 통하여 볼 때 이것은 상당히 빠르고 이상한 변화이다. 1년간의 기온 변동 폭은 상당히 크더라도 연평균기온의 변화는 작다. 보다 넓은 지역의 평균기온으로 보면 그 변화는 더 작은데, 예를 들면, 근래 약 100년 사이에 북반구에서 연평균기온의 변동 폭은 0.5oC 이내이다. 따라서 수십 년 정도 사이에 기온이 1 - 4oC나 상승한다는 것은 이제까지의 지구 역사에서 볼 때 매우 드문 일로서 그것은 인간생활과 지구상의 모든 생물에 대하여 엄청나게 큰 영향을 미치게 될 것으로 예측된다.
이와 같은 지구 온난화의 주된 원인은 이산화탄소를 비롯하여 메탄, 질소산화물, 프레온가스 등 인류가 자연계에 방출하고 있는 다양한 기체의 대기 중 농도가 증가하는 데서 비롯된다. 이와 같이 온난화를 초래하는 기체를 온실효과기체라 부르고 있다.
이러한 환경변화는 인간에 의한 자연의 물질적 평형파괴가 열적 평형파괴를 초래하는 전형적인 것이다. 이산화탄소는 자연계에 존재하는 물질이며, 인류가 불을 발명한 이래 물질을 연소시키는 것에 의해 계속 발생되어 온 우리 주변의 무독한 물질인데, 대기 중에서 이루어져왔던 그것의 농도평형이 화석자원의 이용에 따른 대량발생과 인간의 생활환경의 확장에 따른 자연환경, 즉 생존환경의 파괴로 인하여 그것의 고정원 (sink)인 식생이 감소되어 파괴되기 시작한 것이다. 그리고 그것이 지구표층부의 에너지 흐름에 영향을 주어 그 평형을 파괴하고 있다. 이러한 에너지 평형의 파괴는 이상기상이나 사막화의 진행 등을 통하여 생태계의 파괴도 불러일으킬 가능성을 나타내고 있다.
지구온난화의 원인은 무엇일까? 그리고 그것은 우리의 생태계에 어떤 영향을 미치게 될까? 또 그러한 영향을 줄이기 위한 대안은 무엇이 있을까?
앞으로 이러한 내용을 생태학적 원리에 바탕을 두고 알아보고자 한다.

1. 온실효과기체와 그것에 의한 온난화 메카니즘

자연계에 존재하는 대표적인 온실효과기체는 수증기와 이산화탄소이다. 온실효과기체는 가시광선은 투과시키지만, 적외선은 잘 흡수하는 광학적 성질을 가진 기체이다. 대기 중에 포함된 다른 주요 성분인 질소, 산소, 아르곤 등은 적외선을 흡수하는 성질이 없어 온실효과기체가 아니다. 한편, 프레온가스, 할론가스, 메탄 등의 유기가스, 질소산화물, 오존 등은 적외선을 잘 흡수하는 온실효과기체이다. 이들은 각각 고유의 흡수 파장 띠를 가지고 있어 그것들을 합치면 대단히 넓은 파장 범위의 적외선이 흡수된다.
그러면 적외선을 잘 흡수하는 기체가 증가하면 왜 기온이 상승할까? 온실효과기체가 증가하여 대기 전체가 보다 많은 적외선을 흡수하게 되면, 에너지의 흐름에 변화가 생기고 평형상태가 일시적으로 무너져 새로운 평형상태를 향하여 변화한다. 우선 온실효과기체는 약 770nm이하의 가시광선이 대부분을 차지하고 있는 태양광선을 잘 통과시키는 성질이 있기 때문에 다가온 태양광선 중 적외선의 흡수만이 증가하게 됨으로써 대기권에서 에너지 흡수가 약간 증가한다. 게다가 지표로부터의 적외선 방사는 온실효과기체에 흡수되거나 온실효과기체를 통과하지 못하여 대기권내로 되돌아간다. 따라서 대기 중에 온실효과기체가 많이 존재하면, 태양광선의 대부분을 차지하는 가시광선은 잘 투과시키지만, 태양광선 중의 적외선이나 지표로부터 오는 적외선을 잘 흡수함으로써 대기권에 체류하는 에너지가 증가하여 기온이 점점 상승한다. 기온이 상승하면, 대기권에서 지표로 적외선 방사에 의한 에너지 이동이 증가한다. 그러면 지표의 온도도 상승하여 지표로부터의 적외선 방사나 물의 증발에 의한 잠열의 형태로 대기권으로의 에너지 이동이 증가한다. 물의 증기량이 증가함으로써 대기 중의 수증기가 증가하고, 그것에 의해 대기의 적외선 흡수도 더욱 증대된다. 그에 따라 기온상승이 일어나고 그것이 지표를 데워서 다시 물의 증발을 증가시킨다. 이러한 순환이 되풀이하여 일어나며 지표와 대기권 사이의 에너지 순환에 의한 체류가 증가하고, 기온과 지표온도가 전체적으로 상승한 상태로 평형에 이른다. 이러한 평형상태에서 우주공간으로 방출되는 에너지는 이전의 평형상태와 같은 정도로 되돌아가게 된다.
이렇게 하여 대기 중에 적외선을 흡수하는 기체가 증가하면 할수록 기온이 상승하게 된다. 이와 같은 기체의 효과는 온실의 유리나 투명한 플라스틱의 역할과 비슷하기 때문에 이러한 효과를 나타내는 기체에 대해 온실효과기체라는 이름이 붙은 것이다.
인간이 배출하는 기체의 온실효과는 어느 것이나 이산화탄소보다도 커서, 이산화탄소와 비교하여 프레온가스, 할론가스, 사염화탄소는 1-3만 배, 일산화이질소가 약 200배, 메탄이 약 30배이다. 이러한 차이는 물질에 따라 적외선 흡수율이 다르기 때문에 발생하는 것으로 양적으로는 소량밖에 대기 중에 존재하지 않는 기체이더라도 흡수율이 크다면 그 온실효과를 무시할 수 없게 된다.
 

▲그림 1. (a) 입력 태양광의 스펙트럼 분포: 가시광선은 44% 이며 최대값은 청록색 영역인 스펙트럼 파장이 0.49 마이크로미터(μm)에서 나타난다. (b) 지구에서 방사되는 적외선 스펙트럼 분포: 윗선은 대기가 없는 상태인 따뜻한 지구에서 방사되는 에너지의 분포를 나타낸다. 밝은 영역은 대기상층부로 달아나는 에너지 분포를 나타낸다(위성 측정값임). 수증기와 구름에 의한 흡수 그리고 넓은 주파수대에서의 열손실 경감 (밝게 칠한 부분). CO₂는 파장이 12-18 μm 영역을 강하게 흡수하고 메탄은 (나와 있지 않지만) 약 3.5 μm 영역을 흡수한다.<사진=이창석 교수>

 

2. 대기 중 이산화탄소 농도의 증가

대기 중의 이산화탄소 농도는 매년 증가일로를 걷고 있다. 미국의 킬링 등에 의해 국제지구관측의 해인 1958년 이후 하와이의 마우날로아 관측소와 남극에서 정기적으로 이산화탄소의 농도가 측정되어 왔다. 1958년에 315ppm이었던 것이 1987년에는 약 350ppm까지 증가하였고, 최근에는 400 ppm을 넘어서고 있다 (그림 2). 이러한 증가추세는 남극 등 장기관측이 행해지고 있는 전 세계의 모든 지점에서 볼 수 있으므로 지구 대기 전체의 이산화탄소 농도가 증가하고 있는 것은 확실하다. 우리나라의 CO2농도는 장기적으로 측정된 자료는 많지 않으나 세계 평균치를 상회하는 것으로 나타났다.

 

▲그림 2. 하와이 마우나로아에서 측정된 월평균 이산화탄소 농도의 변화. 그래프안의 작은 그래프는 그 농도의 계절변화를 나타낸다.<사진=이창석 교수>

어느 관측지점에서나 1년간으로 보면, 이산화탄소 농도의 일정한 증감이 되풀이하여 일어난다. 봄부터 여름에 걸쳐서 감소하고 가을부터 겨울에는 증가하는데, 이것은 식물의 광합성활동이 활발한 봄부터 여름에는 식물에 의한 이산화탄소의 소비량이 증가하여 동·식물의 호흡작용이나 미생물에 의한 유기물 분해 등에 의한 이산화탄소의 생성량을 웃돌고, 광합성이 활발하지 않은 가을과 겨울에는 역으로 생성량이 소비량을 상회하게 되기 때문이다. 따라서 북반구와 남반구에서는 증감의 시기가 반대가 된다.
인류가 대량으로 이산화탄소를 방출하지 않는다면, 대기 중의 이산화탄소 농도는 1년 주기의 변동을 되풀이하면서 거의 평형상태를 유지할 것이다. 자연계에는 탄소순환이 존재한다. 대기 중의 이산화탄소는 식물이 흡수하고 물과 함께 광합성반응의 원료로 사용되며 유기화합물이 합성되어 식물이 성장한다. 식물의 광합성 량은 대기 중의 이산화탄소 농도에 거의 비례하여 증가하기 때문에 만약 어떤 이유로 이산화탄소의 농도가 높아질 경우 식물의 이산화탄소 흡수량도 증가하고, 그것에 의해 대기 중의 이산화탄소 농도를 저하시키는 작용을 한다. 또한 이산화탄소 농도의 증가는 그 온실효과에 의해 기온의 상승을 일으키는데, 식물의 광합성 량은 기온이 높을수록 증가하기 때문에, 이것도 역시 이산화탄소 농도를 저하시키는 방향으로 작용한다. 이처럼 탄소순환 가운데 대기 중의 이산화탄소는 동적 평형을 유지해 왔다고 생각된다. 그러나 오늘날 인류가 가져온 이산화탄소의 증가량은 자연의 조절능력을 훨씬 넘고 있으며, 게다가 조절기능을 수행하는 삼림이나 해양에 대해서도 인류의 영향이 가해져 조절을 더욱 어렵게 하고 있다.
따라서 우리는 여기에서 지구온난화 방지를 위한 하나의 답을 얻을 수 있다. 인간은 만물의 영장이며, 그 말의 생태학적 해석은 인간이 생태피라미드의 정점에 있다는 말이 된다. 생태피라미드에서 정점으로 올라갈수록 단위면적 당 에너지함량은 작아져야 정상의 상태이다. 인간의 경우 생물 중 최고의 두뇌 소유자이므로 체내에 포함된 에너지함량 외에 그들이 사용하는 에너지양을 합하여 그들의 에너지양을 계산하여야 한다. 그렇게 계산할 경우 인간을 포함한 생태피라미드는 정상적인 모양을 크게 벗어나게 된다 (그림 3). 따라서 우리 인간은 생태피라미드의 모양을 정상으로 되돌릴 수 있도록 우리의 에너지 사용량을 감소시켜야 한다. 그리고 현재 인간이 이용하는 주 에너지원은 화석연료이고, 화석연료 사용량의 증가에 따라 CO2 발생량이 증가하므로 에너지 사용량의 감소는 CO2 발생량을 감소시킬 수 있다.
또 하나의 답은 이산화탄소의 고정원 쪽에서 찾을 수 있다. 즉, 우리 인간은 생활환경의 확장과 개량을 위해 계속하여 우리의 생존환경을 축소시켜온 결과 소비자인 인간 스스로가 배출하는 이산화탄소를 제거할 수 있는 자연을 파괴시켜 왔다. 따라서 이제 그 배출량이 자연의 조절능력을 넘는 수준에 이르고 있다. 자연의 회복이 중요한 해결책이 될 수 있음은 앞서 언급한 바와 같이 이산화탄소의 고정원이 활발하게 활동하는 봄과 여름에는 그것의 농도가 감소하고 그것의 활동이 감소하는 가을과 겨울에는 그것이 증가하는 CO2의 연 변동에서 찾을 수 있다 (그림 1 참고).

 

▲그림 3. 인간사회를 포함하여 작성된 생태피라미드의 모습. 다른 생물군은 영양단계가 높아짐에 따라 생물량, 즉 생물에 포함된 에너지양이 줄어들고 있지만 인간은 문명생활을 영위하며 다양한 형태로 에너지를 사용하고 있어 이처럼 균형을 잃은 생태피라미드를 연출해내고 그것은 기후변화를 비롯한 환경문제를 유발하는 원인이 되고 있다.<사진=이창석 교수>

3. 인간 활동에 의한 이산화탄소의 증가 원인

인간의 활동에 의해 이산화탄소 농도가 증가하게 되는 주원인은 지구적 규모의 탄소순환에서 언급한 바와 같이 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석자원의 대량이용과 삼림파괴이다. 화석자원에 함유된 원소 중에는 탄소가 가장 많아, 중량조성에서 약 70-90%를 차지하고 있으며, 나머지는 수소, 산소, 질소, 유황 등이다. 이와 같은 조성의 화석자원을 연소시키면 주로 탄소는 이산화탄소로, 수소는 물로, 질소는 질소분자나 질소산화물로, 유황은 아황산가스 (이산화황)로 변한다.

 

화석자원을 연소시켰을 때 생기는 이산화탄소의 양은 소비한 화석자원 중량의 약 3배나 된다. 어떻게 해서 원료물질의 3배나 되는 이산화탄소가 생기는 것일까? 그 이유는 다음과 같다.
화석자원을 연소시키면 탄소는 공기 중의 산소와 반응하여 다음과 같이 이산화탄소로 된다.

 

이 식에 의거하여, 예를 들면 탄소함유율 85%의 원유 1톤을 태울 경우, 얼마만큼의 이산화탄소가 발생하는가를 생각해 보자. 원유 1톤 속에는 탄소가 0.85톤 포함되어 있다. 위의 식으로부터 알 수 있듯이, 탄소 1몰(12g)이 연소하면 이산화탄소 1몰(44g)이 생성되기 때문에 0.85톤의 탄소가 연소한다면, 0.85(44/12)=약 3.1톤의 이산화탄소가 발생하는 것이다. 탄소함유율이 낮은 천연가스의 경우에도 연소된 천연가스의 2.75배 중량의 이산화탄소가 발생하게 된다.
삼림파괴, 사막화 등 인간 활동에 의한 자연파괴도 대기 중의 이산화탄소 농도에 영향을 미친다. 지구상에 있는 식물과 토양 중에 있는 유기물에는 약 2조 톤의 탄소 (대기 중의 이산화탄소에 포함되어 있는 탄소의 3배에 상당)가 포함되어 있다. 식물을 벌채하여 태우거나 방치하면, 식물 속에 유기물로서 고정되었던 탄소성분이 이산화탄소로서 방출된다. 방치한 경우는 자연분해에 의해 서서히 이산화탄소로 변한다. 20세기에 들어와서부터 매년 약 700억 톤이나 되는 이산화탄소가 토지이용방법의 변화로 대기 중에 방출되었다는 보고가 있다.
인구증가 및 산업의 발전에 따른 다양한 용도로의 토지이용, 환경오염 등으로 인해 산림을 비롯한 자연환경이 구조적으로나 기능적으로 감소추세에 있고, 특히 열대림의 감소가 심각한 문제로 부각되고 있다. 이러한 CO2 고정원 (sink)의 감소로 인한 CO2증가는 체계적인 연구와 함께 심각하게 고려할 문제이다.

 

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