1. 개요
기후변화 학설에 제기된 의문과 설명들을 모아놓은 문서이다. 내용이 길어지는 관계로 지구 온난화 문서에서 분리되었다.지구온난화는 인위적인 온실가스 배출로 인한 것이고, 그로 인하여 다양한 기후변화 현상이 일어나고 있음을 많은 과학자들은 인정하고 받아들이고 있다. 단, 이는 모든 과학자가 그렇게 생각한다는 뜻이 아니다. 애초에 과학이란 합리적 의문과 근거에 세워진 학문이기에, 물리학과 같이 절대적 기본 틀이 거의 바뀌지 않는 경우를 제외하면 모두가 의심의 여지없이 동의한다고 장담할 수 없다. 사실상 완전히 동의가 이루어지는 과학은 연구가 종결된 지 오래된 것들이 대부분이다.
2. 이산화 탄소 농도의 증가 요인
2.1. 대기 중 이산화 탄소의 절대 질량
이산화 탄소의 절대적인 양을 계산해볼 수 있다.우선 대기를 이루는 기체의 전체 질량은 5100조톤(=5.1×1021g) 정도 된다.[1] 한편 대기를 이루는 기체 중 질소와 산소가 4:1의 비율로 거의 대부분을 차지하므로 평균 분자량은 약 28.8이다. 따라서 대기 중 기체의 전체 몰 수는 1.8×1020mol.
대기 중 농도가 1ppm이면 이는 분자의 수가 기체의 종류에 관계없이 전체의 100만 분의 1만큼 있음을 뜻한다. 따라서 1ppm에 대응하는 분자의 수는 1.8×1014mol이다.
이산화 탄소의 분자량은 44이므로 1ppm에 대응하는 이산화 탄소의 질량은 78억 톤(=7.8×1015g)이다. 매년 2ppm씩 증가한다는 건 매년 160억 톤씩 이산화 탄소가 배출됨을 뜻하며, 탄소(분자량 12)의 양으로 따지면 43억 톤이다. 더불어 대기 중 이산화 탄소의 전체 질량은 400ppm일 때 3조1천억 톤, 탄소로는 8500억 톤에 이른다. 즉, 대기 중 이산화탄소의 양은 대기 전체 질량의 0.06% 정도 밖에 안된다는 것이다.
2.2. 현재 증가하는 이산화 탄소 농도의 원인은 인간에게 있는가?
이산화 탄소가 변화하는 요인으로 여러 가지를 고려할 필요가 있다.- 인간 이외의 동물들도 이산화 탄소를 배출하지 않는가? 왜 인간만이 문제인가?
거의 모든 동물들은 이산화 탄소를 배출한다. 다만 이는 심각한 문제는 아니다. 동물이 배출하는 이산화 탄소의 탄소는 그 동물이 먹은 먹이에서 나온 것이며, 결국 식물이 광합성을 통해 대기 중에서 흡수한 이산화 탄소에서 온 것이다. 즉 동물이 배출하는 이산화 탄소는 탄소의 대순환 과정에 포함되므로 동물이 아무리 이산화 탄소를 배출하더라도 대기중의 이산화 탄소 농도를 바꾸기는 어렵다. 다만 반추가축의 경우 메테인을 방출하는데, 메테인이 산화되어 물과 이산화 탄소로 분해되기 전까지는 이산화 탄소보다 훨씬 큰 온실효과를 일으킬 수 있으므로 반추가축을 사육하면 문제가 될 수는 있으나 이것도 일시적이다.
반면 인간이 화석연료를 태워서 배출한 이산화 탄소는 기존의 탄소의 순환 과정에서 없었던 ‘이례적인’ 유입이다. 한편 식물이 흡수하더라도 다시 순환해서 대기 중으로 돌아가므로 전체적으로 대기중의 이산화 탄소는 증가할 수 있다. 동식물이 묻히면서 화석 연료로 굳어질 때에는 탄소 순환에서 빠져나가지만, 화석 연료 소모 속도는 축적 속도보다 훨씬 빠르다.[2]
- 식물은 대기 중의 이산화 탄소 농도를 줄이는가?
식물이 대기 중의 이산화 탄소를 흡수한다고 해서 반드시 대기 중 이산화 탄소 농도가 낮아지지는 않는다. 식물이 고정한 탄소는 식물 자체의 몸을 구성하는데, 한해살이풀은 식물이 죽고 나면 동물에게 먹히거나 분해되어 탄소의 순환 과정에 포함되므로 대기중의 이산화 탄소 양을 변화시키지 않는다. 반면 나무의 경우 계속 성장하며 성장한 만큼 탄소를 몸체 내에 계속 잡아두는 셈이므로 고정된 만큼 대기 중 이산화 탄소는 줄어든다. 그러나 나무가 죽어서 썩거나 불에 타면 그 탄소가 그대로 다시 돌아가게 된다.
바다에서도 식물성 플랑크톤이 광합성을 하지만 역시 죽어서 분해되거나 동물성 플랑크톤 등에게 먹히고 나면 탄소 순환에 속한다. 단 이 과정의 어딘가에서 탄소가 퇴적층에 묻혀서 석유가 되는 방법으로 제거될 수도 있다. 그 외에도 산호초가 성장하면 그만큼의 이산화 탄소가 탄산칼슘의 형태로 축적되어 대기 중에서 제거되는데, 지질학적 시간이 지나면 이는 석회암으로 전환된다.
- 인간이 배출한 이산화 탄소는 어떻게 이동하는가?
탄소의 대략적인 이동 양상을 추적하는 한 가지 대표적인 방법이 있다. 탄소의 동위원소를 이용하는 것이다. 자연에는 주로 탄소-12와 탄소-13, 그리고 탄소-14가 존재한다. 여기서 초점은 12C, 13C의 비율에 있다. # 동위원소의 비율은 사실 거의 엇비슷하기 때문에, 미세한 변화를 간단한 수치로 나타내는 지표를 쓴다. δ13C 값은 표준 동위원소 비율에 비하여 탄소-13 비율이 얼마나 많아졌는가를 나타낸다.[3] 13C :12C의 비 값이 0.0112372일 때 지표는 0‰이다.
산업 혁명 이전에는 대기 중 탄소 비율이 -6.5‰이던 δ 13C 값이 현재는 -8‰까지 내려갔다. 그리고 이 값은 계속 감소하고 있다. # 한편 바다에 있는 탄소 비는 -9~-10‰, 육지와 동식물, 화석연료는 -25~-28‰로 낮다. δ 13C 값은 이산화 탄소의 농도 변화와 강한 음의 상관관계가 있는데, 이산화 탄소의 출입이 주로 육지와 동식물, 인간의 영향에 있음을 뜻한다.
아래 그림은 탄소 순환의 모식도를 나타낸 것이다. 모식도에 나타난 숫자에 10억 톤을 곱하면 각 경로 별 연간 이동을 알 수 있다.(괄호 안은 축적된 탄소의 양) 탄소 질량 기준이며, 이산화 탄소 질량은 3분의 11[4]을 다시 곱하면 된다. 흰색은 자연에서 꾸준히 유지한 순환 경로이며, 빨간색은 인간의 화석연료 배출, 토지 이용, 시멘트 생산 과정에서 유입된 새로운 변수이다. 즉 대기 중 이산화 탄소 농도가 높아지면 자연히 육지나 바다로 들어가는 탄소의 양도 증가하는데, 문제는 새로 유입된 증가분이 전부 흡수되지 않는 것. 아래 그림에서는 연간 40억 톤 정도의 탄소가 대기에 알짜로 늘어남을 알 수 있다.
이미지 출처
그래서 조금 극단적으로 서술하자면, 결론은 지구내 탄소의 양은 탄소덩어리 거대한 운석이 와서 지구에 부딪히지만 않는다면 유의미한 변동은 없을 것이다.
2.3. 이산화 탄소 증가의 다른 원인은?
대기 중에 유입되는 이산화탄소량의 절대 다수 (96%)는 바다의 가스 방출, 화산 폭발, 동식물의 진화 등에 기인한 것이고, 인간이 기여하는 것은 4%에 불과하다.
3. 온도가 변화하는 요인
3.1. 온실 효과의 주된 요인은 이산화 탄소가 맞는가?
화석 연료가 아닌 탄소 동위원소에 대한 증거는 꽤나 흥미롭지만, 이 문제에 대한 과학적인 정립은 아직 되지 않았다. 생물이 가진 탄소는 탄소-12 동위원소 비율이 좀 더 높아서, 그게 연소되면 대기 속의 다른 탄소 동위원소 균형이 좀 바뀐다. 하지만, 케네스 스크라블 교수가 이끄는 매사추세츠 대학의 과학자 팀이 최근에 연구한 결과에 따르면, 동위원소 기록에서 화석 연료가 우세하다는 주장을 검증하기 위해 통계를 잘못 사용했다는 사실을 발견했다. 이들은 1750년부터 2018년 사이에 화석 연료를 태우면서 나온 CO2 양이 지구 온난화를 일으키기엔 너무 적다고 결론 내렸다. https://journals.lww.com/health-physics/abstract/2022/02000/world_atmospheric_co2,_its_14c_specific_activity,.2.aspx또한, 프린스턴 대학의 William Happer 교수는 CO2가 특정 수준에 도달하면 " 포화 " 된다고 주장한다. 이 주장은 현재, 역사적, 지질학적 시간 척도에서 온도와 CO2 수준 사이에 거의 또는 전혀 상관 관계가 없는 이유를 분명히 설명한다. 지난 100년 동안 CO2 수준은 꾸준히 상승했음에도 불구하고, 온도는 1910년부터 1940년까지 상승하고, 그 후 1980년경까지 하락했으며(당시에는 전 세계적인 지구 한랭화의 공포에 빠졌었다), 그 후 20년간 잠시 상승한 다음 지난 20년 동안은 정체되었다. 더 멀리 거슬러 올라가면, CO2 수준은 6,000년 전의 온난화와 로마 및 중세 시대를 통해 상당히 일정하게 유지된 것으로 보인다. 이어진 '소빙하기' 역시 CO2의 유의미한 변화를 기록하지 않았다. 대략 1820년부터, 인간의 중요한 영향이 있기 훨씬 전에 온도와 CO2 수준이 서서히 상승하기 시작했다. 지질 시간을 더 멀리 거슬러 올라가면 거의 6억 년에 걸쳐 명확한 패턴이 거의 나타나지 않는다. 페름기에 CO2 수준이 떨어지면서 온도가 크게 상승했다. 공룡의 시대 동안, CO2가 상승함에 따라 온도는 하락했다가 CO2가 하락하는 추세를 보이면서 다시 크게 상승했다.
게다가, 데메트리스 쿠초이아니스와 즈비그니에프 쿤제비치의 연구[https://www.mdpi.com/2413-4155/2/4/83]와 올레 훔룸 등의 연구[https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921818112001658?via%3Dihub]는 CO2 증가가 온도 상승을 가져온 게 아니라, 온도 상승이 CO2 증가를 가져왔다는 사실을 명확하게 한다.
독일 물리학자인 프랑크 스테파니 박사의 최근 연구는 역시, 모든 기후 변화를 화석 연료의 연소라는 하나의 원인으로 돌리는 것에 대해 경고한다. 2021년에 발표된 논문[https://arxiv.org/abs/2101.05183v1]에서, 스테파니 박사는 "압도적으로 이루어진 과학적 합의라는 환상적인 주장들"을 일축한다. 그는 "극단적이고 위험하며 아마도 잘못된 글로벌 행동 계획에 착수하기 전에" 확립된 결론을 지지하는 것이 필수적이라고 경고한다.
그의 주로 태양 영향과 지구 자기력이 지구에 미치는 영향을 연구했다. 그의 연구에 따르면 태양이 최근 지구 온난화의 30-70%를 차지한다. 또한, 그는 태양 활동이 20세기 말에 8,000년 만에 가장 높은 수준이었을 것으로 보이며, 이후로 계속 감소할 것이라고 예측한다. 그리고 aa-index에 따라 측정되는 지구 자기 활동은 감소할 것이다. 스테파니 박사는 aa-index를 태양 활동의 대리 지표로 사용한다. 이산화탄소와 관련하여, 그는 대기 중으로 매년 2.5ppm 증가한다 해도, 이것이 2100년까지 "미미한 추가 온도 상승"인 1°C 미만을 초래할 것이라고 주장한다. 다른 시나리오에서는 "증가하는 이산화탄소의 가열 효과가 감소하는 aa-index의 냉각 효과에 의해 널리 상쇄되는" 평탄한 온도 곡선이 나타날 수 있다. 단기적, 중기적 그리고 장기적으로 기후에 영향을 미치는 요인은 무수히 많다. 스테파니 박사는 거대한 "밀란코비치 주기"[8]가 결국 "인류의 오만함을 식혀줄 것이며, 인류가 지구 기후를 상당히 영향을 줄 수 있다는 자만심(어떤 방향이든)을 식혀줄 것"이라고 말하며 논문을 마무리 한다.
결국, 이산화탄소 증가에서 인간이 미치는 영향은 미미하며, 설령 이산화탄소 증가가 온도 상승에 관련 있다 하더라도 지구적 차원에서는 오히려 온도 상승이 이산화탄소의 증가를 가져왔으며, 이산화탄소가 온도 상승을 야기한다 하더라도, 그 영향 역시 매우 미미하다.
1990년대 초반까지 미 항공우주국(NASA) 기상 분야를 책임졌던 존 씨온 역시 이산화탄소가 기후 변화를 일으킨다는 주장을 부정한다.https://www.hankookilbo.com/News/Read/201502111649298665
4. 관련 문서
[1] 여기의 Terrestrial Atmosphere 항목 에서 가져옴. 어떻게 이 값이 나오는지는 이 글을 참고하면 좋다. 물론 어림잡아 가정한 거라 약간의 오차는 있다.[2] 여기서 석유나 석탄의 가채연수는 현재 증가하고 있으나, 가채연수의 개념은 이와 다르다. 현재 발견된 자원과 그것을 캐내는 기술에 따라 가채연수는 달라진다. 각종 유전이나 원석을 발견하면서 석유를 추출하는 기술이 발달하고 있기에 채굴 가능한 자원이 늘어나는 것이지, 자원 자체의 양이 증가하는 것은 아니다.[3] 수식으로 표현하면 , 단위는 ‰[4] 이산화 탄소의 분자량 44, 탄소의 원자량 12[https://www.mdpi.com/2413-4155/2/4/83] [https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921818112001658?via%3Dihub] [https://arxiv.org/abs/2101.05183v1] [8] 밀란코비치 주기(Milankovitch cycles)는 지구의 기후 변화에 영향을 미치는 여러 천체 물리학적 사이클을 말한다. 이 이론은 세르비아의 수학자 밀루틴 밀란코비치(Milutin Milankovitch)에 의해 처음 제안되었으며, 지구의 궤도와 축의 변화가 지구의 기후에 중대한 영향을 미친다고 설명한다.