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차례 |
제 1장 |
제 2장 |
제 3장 |
제 4장 |
제 5장 |
제 6장 |
제 7장 | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 자원과 환경: 지구의 선물, 그 빛과 그림자 - 제 5장 화석 연료 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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5-1. 지구상의 생물 - 과거와 현재 5-2. 오존층의 역할과 파괴 5-3. 화석 연료의 형성 및 개발 5-4. 화석 연료의 이용 5-5. 지구 온난화 5-6. 산성비(산성 강하물) 5-7. 기타 환경 문제 5-보충 학습 5-참고문헌 5-5. 지구 온난화 지구의 기온은 밤낮으로, 계절별로 그리고 해마다 조금씩 변한다. 그런데 과거 꽤 긴 시간 동안의 평균 기온의 변화를 살펴보면, 지구 대기 온도가 낮았을 때도 있고 높았던 때도 있었다. 지구 대기 온도가 특별히 낮았을 때는 극지방의 얼음이 확장하여 상당히 낮은 위도까지 빙하에 덮여 있었다. 이를 우리는 빙하기라고 부릅니다. 이와 같은 온도 저하가 심할 때는 지구 거의 대부분이 얼음에 뒤덮였던 적도 있다. 반대로 지구의 대기 온도가 특별히 높았을 때는 빙하가 후퇴하고 생물이 활동이 비교적 높은 위도까지 활발하였다. 이를 간빙기라고 부릅니다. 그러니까 지구 평균 기온은 자연스럽게 서서히 증가하기도 하고 감소하기도 한다. 그런데 최근에 지구 대기의 온도가 자연적인 요인 때문이 아니라 대기 오염 때문에 올라간다고 한다. 이를 지구온난화(global warming)이라고 하는데, 이 단원에서는 어떻게 이런 일이 일어나는지, 그 원인 오염물은 어떤 것이 있는지, 그리고 요즘의 지구 대기 온도의 상승이 정말 이런 오염물 때문인지에 대해 알아보자. 5-5-1. 지구 온난화란? 산업이 발달함에 따라, 인간에 의한 자연 환경의 변화가 매우 중요한 시대가 되었다. 인간에 의한 환경 변화는 주로 인간에 의한 오염물질과 인위적 환경변화에 의해 초래되는데, 특히 막대한 양의 화석연료 사용으로 인한 오염물의 발생은 지구의 생태계를 위협하는 가장 큰 문제가 되었다. 화석 연료의 사용으로 인해 발생한 오염물은 다양한 환경 문제를 일으키는데, 그 중 우선 지구온난화에 대해 살펴보도록 하자. 지구온난화란 말 그대로 지구가 따뜻해지는 것을 의미한다. 요즘의 지구환경학적 관점에서는 특히 대기 오염으로 인한 온실 가스의 증가로 지구의 대기 온도가 상승하는 현상을 지칭하는 용어이다. 대기 온도가 상승한다는 말은 일일 기온 변화나 계절의 변화에 의한 기온 변화로 따뜻해지는 것이 아니라 꽤 긴 시간, 약 백년 정도의 기간에 걸쳐 지표면 부근 대기의 평균 기온이 상승한다는 것을 의미한다. 지구온난화는 대기 오염으로 온실 가스(greenhpuse gas)가 증가하기 때문에 일어난다. 온실가스란 대기 중에서 지구의 복사열을 흡수했다가 다시 방출하여 지구의 온난화를 일으키는 가스로, 그 양이 많은 순서로 나열하면 H2O(수증기) > CO2 > CH4 > O3 등이 있다. 이들 각각이 지구온난화에 기여하는 정도는 대략 36-72%, 9-26%, 4-9%, 및 3-7% 정도이다(표 5-5-1). 이들 중 특히 대기 오염에 의해 증가하는 개스는 CO2이다.
표 5-5-1. 주요 온실 가스의 온실 효과 기여 정도. https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
지구의 기온은 유입되는 태양 에너지와 외부로 방출하는 복사 에너지에 의해 조절된다. 유입되는 태양에너지는 대부분 가시광선 형태로, 복사에너지는 적외선 형태로 방출된다. 그림 5-5-1은 태양과 지구의 흑체 복사파(black body radiation)의 파장을 비교한 것으로, 태양 빛의 대부분은 가시광선(visible light) 영역에, 지구 복사파의 영역은 대부분 적외선(infrared) 영역에 속함을 알 수 있다. 실제 태양의 발광 파장은 흑체 파장과 다를 수 있으나, 가시광선 영역의 파장이 주를 이룸은 틀림 없는 사실이다. 지구에 태양에너지가 도달하여 지구를 덥히면, 지구상에서는 물이 증발하면서 급격한 기온 변화를 조절하는 한편 적외선 파장을 갖는 복사파가 방출되면서 지구를 식힌다. 이때 방출되는 복사파의 일부가 온실가스에 의해 흡수되었다가 다시 사방으로 방출된다(그림 5-5-2). 온실가스에 의한 이러한 복사파의 흡수 및 재방출은 복사파를 다시 지구로 되돌려 보냄으로써 지구의 냉각을 지연시키는 역할을 한다. 이는 마치 온실의 비닐이나 유리벽이 내부로 태양에너지는 충분히 들어오게 하면서도 외부로의 열손실을 줄여 내부 온도를 유지하는 것과 비슷하다 하여, 이러한 효과를 온실효과(greenhouse effect), 이러한 역할을 하는 가스를 온실가스라 부르는 것이다. 만일 대기 중의 온실가스의 양이 증가하면, 지구로 반사되는 복사파의 양이 따라서 증가하여 지구의 온도가 그만큼 상승하게 된다. 이러한 온도의 상승은 좀 더 많은 물의 증발을 유발하여 대기 중 수증기의 양을 증가시키며, 이 증가된 수증기에 의해 좀 더 많은 온실효과가 유발된다. 이는 다시 더욱 지구의 온도를 증가시키고, 더욱 많은 수증기를 증발시키고, 이로부터 또 더 많은 온실효과가 나타나게 된다. 즉, 온실효과는 이와 같이 지구의 온도를 계속 증가시키는 방향으로 순환 고리를 형성하는 현상인 것이다. 만일 이와 같이 일방적으로 온실효과가 지속된다면, 지구의 온도는 모든 물이 끓어 기화될 때까지 계속 증가할 것이고 결과적으로 대부분의 생명체는 지구상에서 사라지고 말 것이다. 지구의 대기 중에서 온실효과가 엄연히 작동되고 있음에도 지구가 아직도 끓어 넘치지 않는 이유는 무엇일까? 그것은 바로 온실효과에 반대로 작용하는 냉각효과 때문이다(그림 5-5-3). 사실, 이 효과에 대해서는 정확하게 정의할 수 있는 용어가 부족하다, 일부는 이를 영어로 dimming effect로 부르기도 하며, 여기에 albedo effect를 포함하기도 한다. 그냥 일반적으로 반온실효과 즉 anti-greenhouse effect로 두루 뭉실 부르는 경우도 있다. 우리는 그냥 온실 효과에 반작용하는 효과를 냉각효과로 부르기로 한다. 만일 온실효과로 인해 지구의 온도가 상승하여 대기 중에 수증기의 양이 증가한다고 생각해보자. 더워진 공기와 함께 상승한 이 수증기는 대류권에서의 고도에 따른 온도 하락으로 인해 구름을 만든다. 이 구름은 태양빛을 가리고 반사하여 지구가 데워지는 것을 방해하여 지구의 기온을 낮춘다. 이렇게 온도가 낮아지면, 좀 더 많은 수증기가 응결되어 구름을 만들고, 이 구름은 다시 좀 더 많은 태양빛을 가리게 되어 지구의 온도를 더욱 낮추게 된다. 온도가 충분히 낮아지면 구름으로부터 눈이 내리고, 지표수는 얼어버릴지도 모른다. 쌓인 눈과 얼음은 훨씬 많은 양의 태양빛을 반사하면서, 지구를 더욱 냉각시키게 되며, 이러한 방향으로 계속 순환이 반복되면서 지구의 온도를 끊임없이 낮추게 된다. 만일, 지구에 이러한 냉각 효과만 있다면, 지구 전체는 꽁꽁 얼어버려 또 다시 많은 생물들이 멸종의 길을 걸을 수밖에 없을 것이다.  그림 5-5-3. 온실효과와 냉각 효과의 순환 작동. 눈 또는 얼음으로 덮힌 지면을 그렇지 않은 곳과 비교했을 때, 태양 빛을 더 반사하여 열을 흡수할 기회가 적어질 수 밖에 없다. 이 것과 함께 구름이 더 많이 끼면 더 적은 양의 태양빛을 통과시켜 지면이 열을 흡수할 기회를 적게 주는 효과, 그리고 이 효과들이 반복적으로 더욱 더 심해진다는 것이 냉각 효과의 핵심이다(그림 5-5-4). 지구의 대기 온도가 일정하게 유지되는 것은 온실효과와 냉각효과가 함께 작동되기 때문이다. 즉, 온실 효과가 증가하면 그 반작용으로 냉각효과 또한 증가하게 되어 일방적으로 온도가 상승하는 것을 막아주며, 그 반대의 경우 (즉, 냉각효과가 증가하면 온실효과가 상승하여) 온도가 하강하는 것을 막아 균형을 잡아준다. 중요한 것은 이 균형점이 어떤 온도에 형성되느냐 하는 것인데, 대기 오염에 의해 온실가스의 양이 증가하면 이 균형점이 좀 더 높은 온도 쪽으로 이동하게 되며, 이를 우리는 일반적으로 지구온난화라고 부른다. 5-5-2. 온실 가스의 종류 및 기온의 변화 이미 앞서 살펴보았듯이 대기 중에는 여러 종류의 온실 가스가 존재하며, 이들이 온실효과에 기여하는 바도 또한 각기 다르다. 아래 표 5-5-2는 물을 제외한 다양한 온실 가스들을 비교한 것으로, 이들 온실 가스들의 산업화 이전 및 이후의 대기 중 농도, 대기에 머무르는 시간, 누출 오염원, 그리고 온난화잠재력 등을 정리하였다. 여기서 온난화 잠재력이란 같은 무게의 이산화탄소와 비교했을 때 몇 배나 더 열을 흡수할 수 있는가를 나타내는 척도이다.
표 5-5-2. 주요 온실 가스 비교. https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
주목할 만한 것은 우리가 지구온난화의 주범으로 생각하는 이산화탄소보다 다른 온실가스들의 온난화잠재력이 훨씬 높다는 점이다. 그럼에도 불구하고 이산화탄소가 지구온난화의 주범이 되는 이유는 그 양이 다른 온실가스에 비해 훨씬 많으며, 인간에 의해 오염물로서 대기에 유입되는 양도 훨씬 많기 때문이다. 그림 5-5-5는 온실가스 배출량을 부문별로 구분하여 보여주는 것으로, 그 중 가장 양이 많은 이산화탄소, 메탄, 및 질소산화물의 부문별 배출량을 좀 더 자세히 나태내고 있다. 그림에 표시된 부문 중, 발전, 운송연료, 및 화석연료 가공은 전적으로 화석연료를 사용하는 부문이며, 그 밖에 다른 부문들도 상당량 화석 연료에 의존하고 있어, 화석 연료의 사용이 지구온난화에 막대한 영향을 미치고 있음을 짐작할 수 있다. 그림 5-5-6은 과거 100년 간 기온에 영향을 미칠만한 여러 요인들을 고려해 계산한 대기 온도와 실제 대기 온도를 비교한 것으로, 이를 통해 온실가스가 대기 온도를 높이는데 결정적 역할을 하고 있음을 알 수 있다. 이 그래프는 과거 약 100년에 걸쳐 대기온도를 변화시키는 요인들 , 즉 온실 가스의 양, 태양 활동 변화, 오존 농도, 화산 활동, 그리고 황산 개스 배출량 등에 의해 어떻게 대기 온도가 변하였는지를 각각 계산하고, 이를 합하여 지구 대기 온도를 모사한 후 이를 실제 관측된 대기 온도와 비교한 것이다. 그래프 제일 위 굵은 검은 곡선이 실제 관측된 대기 온도이다. 요인들을 계산해 모사한 대기온도는 갈색 곡선으로 나타내었다. 이 모사 곡선을 따라 회색의 띠로 표현된 것은 요인들의 자연적인 분산으로 인한 오차 범위를 나타낸 것이다. 대기 온도의 모사된 값과 실제 관측 값을 비교하면 전체적으로 온도의 상승 패턴이 매우 잘 맞는 것을 알 수 있다. 이로부터 이 요인들을 이용한 계산이 매우 타당함을 알 수 있다. 아래 각 요인들에 의해 계산된 온도 변동 곡선을 보면 파란색의 온실가스에 의한 변동만이 증가하고 있음을 볼 수 있다. 이와 같은 계산 결과를 종합하면, 과거 100년간의 지구 대기 온도는 분명히 상승하였는데, 그 원인은 바로 온실 가스 때문이라는 것이다.  그림 5-5-6. 여러 요인들을 고려한 모사 대기 온도와 실제 대기 온도의 비교. ©Robert A. Rohde https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Climate_Change_Attribution.png 5-5-3. 지구온난화로 인한 재해 어느 날 기온이 평소보다 몇 도 더 높아져 계속 그 상태를 유지하면 어떤 일들이 벌어질까? 사람들이 계절에 맞게 준비한 것들이 쓸모없게 되어 새로 날씨에 적응하느라 각 가정마다 지출이 크게 늘지도 모른다. 더운 날씨 때문에 냉방기를 가동하는 등 많은 에너지를 소모하게 되어, 예비 연료가 바닥이 나고 국가 에너지 정책이 큰 혼란에 처할 수 있다. 일부 병약한 사람들은 더욱 쉽게 지치고, 쇄약해질 것이며, 모기와 같은 해충이 늘어나고, 전염병 등이 창궐하면서 의료비 지출이 크게 증가할지도 모른다. 더운 날씨로 인한 병충해가 크게 늘어 식량 생산비는 크게 늘어나는 반면 소출은 줄어 작게는 가정, 크게는 나라 전체의 식량 수급과 예산에 큰 타격을 줄 수도 있다. 이와 같이 조금만 생각해보면 온난화로 인한 피해를 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 하지만, 지금까지 열거한 이러한 피해들은 사실 전 지구 규모 피해들에 비하면 아무것도 아닐지도 모른다. 지구온난화로 인한 기후 변화로 인해 전 지구적으로 홍수와 가뭄, 이상 한파와 혹서, 태풍과 토네이도 등이 넘쳐 날 것이고, 생테계의 파괴와 멸종이 뒤를 따를 것이며, 이러한 피해에 수반되는 다양한 장단기적 문제점들이 노출될 것이다. 이러한 지구온난화로 인한 재해들에 대해 살펴보고 이에 대한 대응책등을 논의해보자. 지구 온난화로 인한 재해는 기후변화, 해수면 상승, 생태계 교란, 장기적 재해, 및 대구모-돌발성 재해 등의 측면에서 살펴볼 수 있다. 지구온난화로 인한 재해의 주범은 기후 변화이다. 이는 단순히 기온이 상승하는 것뿐만 아니라, 좀 더 복잡한 기후 변화로 인한 다양한 재해를 포함한다. 지구 온난화로 인해 난류는 확장되고 한류 경로는 변화되며, 이에 따라 대규모 대기 순환 양상도 달라진다. 이는 곧 태풍 등 열대성 저기압 발생 패턴의 변화를 가져오고, 건조 지역이던 곳에 폭우가 쏟아지고 습윤 지역에 가뭄이 계속되는 등의 장기간 이상기후를 일으킨다. 이들 이상 기후는 가뭄과 홍수 등을 통해 사람들에게 직접 피해를 주는 것은 물론이고, 이에 수반하는 화재, 전염병 등 수많은 이차적 피해를 양산할 뿐만 아니라, 종국에는 안정하게 고착되었던 생태계를 파괴하면서 우리의 존재 자체를 위협하게 된다. 지구온난화는 필연적으로 해수면 상승을 불러온다. 기후변화에 관한 정부간 패널, 즉 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)는 지금과 같은 추세로 지구온난화가 계속되면 21세기에 들어서서는 지금보다 해수면이 52 내지 98 cm 더 상승할 것이라고 내다보았다. 그러나 이와 같은 IPCC에 의한 예측은 과소평가라는 의견도 있다. 지구온난화가 산업화 이전보다 평균온도 섭씨2도 높게 유지되면 바다의 열팽창 및 극지방 얼음의 용융으로 해수면이 지금보다 지금부터 1-4m 높아질 것이란 전망이 있다. 심지어 지구온난화가 계속되어 그린란드의 얼음이 모두 녹으면 해수면은 4 내지 7.5m 상승할 것이라고 한다. 이렇게 되면 세계 곳곳의 해안을 따라 바닷물에 의한 범람이 발생할 것이고, 그로 인한 피해는 상상하기 어려울 정도일 것이다. 지구온난화로 인한 생태계 교란은 피할 수 없다. 지구온난화로 인한 계절의 변화, 기온의 변화, 및 강수량의 변화 등으로 생태계의 구성과 분포가 달라지고, 심한 경우 몇몇 동물의 멸종이 초래될 수 있다. 지구온난화로 인해 특히 피해를 받는 생태계로는 툰드라, 망그로브, 산호초 등과 같이 기후에 매우 민감한 생태계이다. 지구온난화의 장기적 영향은 온실 가스의 배출이 얼마나 장기적으로 지속되는가에 따라 결정된다. 장기적 온난화는 여러 가지 지구환경 변화가 수반한다. 예를 들면, 장기적 온난화로 극지방의 얼음이 녹으며 그 압력이 사라짐으로 해서 사태, 지진, 화산활동, 쓰나미 등이 빈번하게 일어날 수 있다. 지구온난화로 인한 대규모 돌발성 재해의 대표적인 예로 해류 순환 체계의 변화 같은 것을 들 수 있다. 대기 온도의 변화가 수온에도 영향을 미치면서 기존의 해류 체계의 변화가 일어나게 된다. 이와 같은 해류의 변화는 해양 생태계에도 영향을 미쳐, 그 전에 경험하지 못했던 다양한 피해를 양산할 수 있다. 이 밖에 온난화로 인한 CO2의 증가로 바다의 산성화가 진행될 수 있으며, 상승된 온도로 인해 바다 밑의 메탄하이드레이트와 같은 것의 대규모 방출이 일어날 수있다. 이미 살펴본 바와 같이 메탄의 온난화잠재력은 이산화탄소의 21배에 이른다. 다량의 메탄 대기 방출은 온난화를 더욱 심화시키고, 그동안에 있었던 지구 대기 기온의 균형을 완전히 무너뜨릴 수도 있다. 미국 해양 기상국(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)의 지구물리유체역학실험실은 측정 및 예측된 온실 가스 양에 따라 미래의 지표 대기 온도를 시뮬레이션 했다(그림 5-5-7). 이 결과 앞으로 계속 온실 가스의 배출이 지금과 같은 추세로 지속된다면, 지구 거의 모든 곳에서 기온이 상승하는 것으로 나타났다. 그림 5-5-7은 2051년에서 2060년까지 십년 동안의 연평균기온의 평균값에서 1971년부터 2000년까지의 평균값을 뺀 결과를 보여주는 것으로 극지방 일부를 제외하고 거의 모든 지역에서 대기 온도가 상승하고, 특히 북극 부근에서의 대기 온도 상승이 심각함을 나타낸다. NOAA의 지구물리유체역학실험실은 또한 같은 조건으로 1900년부터 2100년까지의 지구 강수량을 시뮬레이션했다(그림 5-5-8). 이 결과 미래에는 건조 지역은 더욱 건조하게 되고, 강수 지역은 더욱 더 많은 비가 내리게 된다는 결과를 얻었다. 그림 5-5-8은 2081년부터 2100년까지 20년동안 예측된 연 강수량의 평균값에서 1951년부터 2000년까지 관측된 연 강수량의 평균값을 뺀 값을 나타낸 것이다. 지금과 같은 기후가 계속된다면 지구 모든 지역의 색이 옅은 연두색을 띄어야 하지만, 예측 결과는 전혀 그렇지 않다. 갈색 계통으로 표시된 강수량 감소 지역은 이미 건조 지역이 분포하는 곳을 중심으로 확장되었으며, 푸른 색 계통의 강수량이 증가하는 지역은 이미 습윤지역을 중심으로 형성되어 있다. 그래서 앞으로 건조 지역은 더욱 건조하게, 강수 지역은 더욱 더 많은 비가 내릴 것이라고 예측되는 것이다. 이와 같은 현상은 전지구적인 관점에서 본 예측결과이고, 지역적으로는 건조 지역과 강수 지역의 확장과 국부적인 차이로 이내, 기후가 확연히 변하는 곳이 많이 있을 것이다. 예를 들면, 건조 지역에 홍수가 난다던지, 습윤 지역에 가뭄이 든다던지 하는 것인데, 이는 분명 대재앙이 될 것이다. 1900년부터 2100년까지 200년 동안의 강수량에 대한 시뮬레이션의 결과는 https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_impacts_of_climate_change#Extreme_events에서 동영상으로 볼 수 있으니 꼭 방문해보길 바란다. 그림 5-5-9는 해수면이 지금보다 6m 정도 상승할 때 바닷물에 의해 범람이 일어나는 지역을 표시한 것이다. 우리나라 서해안과 중국 동해안, 인도네시아의 많은 지역, 파키스탄 남쪽 해안, 유럽의 북부해안, 미국의 서부해안에 상당한 침수가 일어나, 심각한 피해가 있을 것으로 예상된다.  그림 5-5-9. 해수면 6m 상승으로 바닷물 범람이 예상되는 지역. © NASA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:6m_Sea_Level_Rise.jpg 5-5-5. 지구 온난화에 대한 대응 지구 온난화로 인한 재해를 최소화하기 위해서는 온실 가스 배출을 줄이고(mitigation), 앞으로 예상되는 온난화로 인한 충격에 충분히 대비하여야(adaptation) 한다. 온실가스 배출은 매우 다양한 방법을 통해 줄일 수 있다. 대표적인 것들의 예를 들면
등이 있다. 지구온난화로 인한 재해에 대비하는 방안도 여러 가지 측면에서 생각해 볼 수 있다. 예를 들면,
그림 5-5-10은 온실 가스 배출 기록과 예측, 그리고 UN기후변화기본협약, 즉 UNFCCC(United Nations Framework Convention on Climate Change)에 따라 온실 가스를 어떻게 줄일 것인가를 축약해 보여주는 그래프이다. 그림의 왼쪽 그래프는 지금까지의 온실가스 배출량과 앞으로 2050년까지 배출될 양을 예측한 그래프이다. 2050년에는 온실 가스의 배출량이 CO2 당량으로 약 800억톤에 이를 것임을 보여주고 있다. 이를 목표점인 UNFCCC의 협약에 따른 수준까지 줄일려면 대략 550억톤을 줄여야 하는 것으로 예상된다. 오른쪽 그래프는 이 만큼의 온실 가스를 어떤 식으로 어떻게 줄일 것인지를 나타내는 그래프이다. 방법은 산림 보존, 온실가스 감축, 에너지 절약, 대체에너지 사용, 탄소포집 및 저장, 에너지 효율 개선 등을 통해 기술적 측면에서, 각 자치적인 해결과 소비 변화를 통해하는 것으로 계획되어 있다. 이와 같은 노력을 통해 미래 지구온난화에 의한 재해를 최소화할 수 있을 것으로 기대한다. 5-6. 산성비(산성 강하물)에 계속 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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