나뭇잎 교과서

기후시스템의 되먹임

CO₂만 늘려 계산하면 지구는 1 °C 남짓 데워지는 데 그칩니다. 그런데 실제 예상은 그 두세 배입니다. 수증기와 얼음, 구름, 그리고 생물이 변화를 키우거나 줄이는 되먹임 때문입니다. 간단한 에너지 균형 모형과 가상의 데이지 세계로 기후 시스템이 어떻게 균형을 유지하고 어떻게 흔들리는지 알아봅니다.

본문

기후시스템의 되먹임

본문

대기의 이산화 탄소가 두 배가 되면, 그것만으로 지구는 약 1.2 °C 따뜻해진다고 계산된다. 그런데 기후 과학자들은 실제로는 약 3 °C 오를 것이라고 예측한다. 나머지 1.8 °C는 어디서 오는 것일까? 따뜻해진 지구가 스스로를 더 따뜻하게 만드는 일이 일어나기 때문이다. 이런 일은 어떻게 일어나며, 반대로 변화를 줄이는 과정은 없을까?

그림 1. 직접 효과 1.2 °C(파랑)에 되먹임이 \(f\)배씩 거듭 더해지는 모습(주황). 되먹임 비율이 0.6이면 최종 온도 변화는 직접 효과의 2.5배인 3 °C가 된다.
먼저 알아야 할 것복사 평형과 온실 효과(지구시스템과학), 알베도, 지구시스템의 권역, 날씨와 기후(날씨와 기후), 등비급수(수학).

1.2.1양의 되먹임과 음의 되먹임

어떤 변화가 일어났을 때, 그 결과가 처음 변화를 더 키우는 방향으로 작용하면 양의 되먹임, 줄이는 방향으로 작용하면 음의 되먹임이라 한다. 기후 시스템에서 대표적인 양의 되먹임은 수증기 되먹임이다. 기온이 오르면 바다에서 증발하는 수증기가 늘고, 수증기는 강한 온실 기체라 기온을 더 올린다. 얼음–알베도 되먹임은 따뜻해져 눈과 얼음이 녹으면 햇빛을 반사하던 하얀 면이 줄어 더 많은 햇빛을 흡수하는 것이다.

정리 1.2.1 되먹임에 의한 증폭

직접 효과가 \(\Delta T_0\)이고, 온도 변화의 \(f\)배만큼이 되먹임으로 다시 더해지면 최종 변화는 \[\Delta T = \Delta T_0(1 + f + f^2 + \cdots) = \frac{\Delta T_0}{1 - f}\quad (0 \le f < 1)\] 이다.

그림 1에서 되먹임 비율을 바꾸어 보자. \(f = 0\)이면 1.2 °C 그대로, \(f = 0.5\)이면 2.4 °C, \(f = 0.6\)이면 3 °C이다. \(f\)가 1에 가까워질수록 증폭이 급격히 커진다. 한편 지구가 따뜻해지면 우주로 내보내는 복사도 온도의 네제곱에 비례하여 늘어나는데, 이것이 가장 강한 음의 되먹임이라 지구가 끝없이 뜨거워지지는 않는다.1

1.2.2생물이 만드는 되먹임

생물도 되먹임에 참여한다. 식물은 이산화 탄소가 늘면 광합성을 더 하여 일부를 흡수하는 음의 되먹임을 만든다. 반대로 북극의 영구 동토층이 녹으면 그 속에 묻혀 있던 유기물이 분해되어 이산화 탄소와 메테인이 나오는 양의 되먹임이 생긴다. 하얀 꽃과 검은 꽃만 사는 가상의 행성(데이지 세계)에서는, 행성이 따뜻해지면 햇빛을 반사하는 하얀 꽃이 늘어 행성을 식히는 음의 되먹임이 기온을 일정하게 유지한다.

되먹임과정방향 수증기따뜻 → 증발 증가 → 온실 효과 증가양 얼음–알베도따뜻 → 얼음 감소 → 햇빛 흡수 증가양 복사 냉각따뜻 → 우주로 내보내는 복사 증가음
그림 2. 양의 되먹임은 변화를 키우고, 음의 되먹임은 변화를 줄인다.

1.2.3예제 풀이

예제 1.2.2

이산화 탄소가 두 배가 될 때 직접 효과는 1.2 °C이다. 되먹임 비율이 0.5일 때와 0.67일 때 최종 온도 변화를 구하여라. 되먹임 비율을 0.5와 0.67 사이로만 알고 있다면 예측의 범위는 얼마인가?

\(f = 0.5\)이면 \(\dfrac{1.2}{1 - 0.5} = 2.4\) °C, \(f = 0.67\)이면 \(\dfrac{1.2}{0.33} \approx 3.6\) °C이다.

되먹임 비율의 불확실성은 0.17뿐인데, 예측은 2.4~3.6 °C로 1.2 °C나 벌어진다. \(1 - f\)가 분모에 있어, \(f\)가 클수록 작은 차이도 크게 증폭되기 때문이다. 그래서 구름의 되먹임처럼 아직 잘 모르는 과정을 정확히 아는 것이 기후 예측의 정밀도를 높이는 열쇠이다. 즉 기후 과학이 되먹임을 연구하는 것은 '얼마나 따뜻해질지'의 폭을 좁히기 위해서이다.

아래 탐구 카드에서 지구가 조금 따뜻해지면 저절로 더 따뜻해지는 과정과, 생물이 행성의 기온을 조절하는 가상 실험을 해 보자.

  1. 기후 과학자들은 이산화 탄소가 두 배가 될 때의 평형 기온 상승을 기후 민감도라 부른다. IPCC 제6차 보고서는 그 최적 추정값을 3 °C, 가능성이 큰 범위를 2.5~4 °C로 제시했다.
마무리

기후 시스템에서는 수증기, 얼음–알베도 같은 양의 되먹임이 처음 변화를 키우고, 복사 냉각 같은 음의 되먹임이 줄인다. 되먹임 비율이 \(f\)이면 최종 변화는 \(\frac{\Delta T_0}{1 - f}\)로 증폭된다. 그래서 처음 질문의 지구는 이산화 탄소의 직접 효과 1.2 °C에 수증기와 얼음의 되먹임이 거듭 더해져, 저절로 약 3 °C까지 더 따뜻해진다.

탐구 1

지구가 조금 따뜻해지면 왜 저절로 더 따뜻해질까?

기후 되먹임 · 수증기·얼음 알베도·구름 · 0차원 에너지 균형 모형
되먹임
되먹임 없을 때
—
되먹임 합
—
평형 기온 상승
—
증폭
—

되먹임 계수는 IPCC 6차 보고서(AR6) 제1실무그룹 표 7.10의 최적 추정값으로, 플랑크 응답 −3.22, 수증기와 기온 감률 합 +1.30(범위 1.0~1.6), 지표 알베도 +0.35(0.10~0.60), 구름 +0.42(−0.10~0.94) W/m²/°C이다. CO₂ 2배의 유효 복사 강제력 3.93 W/m², 1750–2019년 사람에 의한 강제력 2.72 W/m²도 AR6 값이다. 햇빛 1 % 증가는 1361 W/m² × 1 % ÷ 4 × (1 − 알베도 0.3)으로 어림했다. 모든 되먹임을 기온에 비례한다고 본 모식 모형이며, 평형에 이르는 시간(바다가 데워지는 데 수십~수백 년)은 다루지 않는다.

  1. 질문CO₂가 2배가 되면 지구는 처음에 약 3.9 W/m²의 에너지를 더 붙잡는다. 지구가 데워져 이만큼을 더 내보내기만 하면 되는데, 계산해 보면 1.2 °C만 올라도 충분하다. 그런데 IPCC는 약 3 °C가 오른다고 평가한다. 나머지는 어디서 왔을까?
  2. 복원지구는 태양 복사를 흡수하고 지구 복사를 내보내 에너지 균형을 이룬다. 온도가 높은 물체일수록 복사 에너지를 많이 내보낸다(슈테판–볼츠만 법칙). 이 균형을 바꾸는 힘을 복사 강제력(W/m²)이라 한다.
  3. 설명데워진 지구가 더 많이 내보내 균형을 되찾는 것이 플랑크 응답이며, 1 °C마다 약 3.2 W/m²이다. 이것은 변화를 줄이는 음의 되먹임이다. 그런데 기온이 오르면 다른 것도 바뀐다. 따뜻한 공기는 수증기를 더 많이 품고(1 °C에 약 7 %), 수증기는 강한 온실 기체라서 에너지를 더 붙잡는다. 눈과 얼음이 녹으면 햇빛을 덜 반사해 더 흡수한다. 이렇게 변화를 키우는 것이 양의 되먹임이다. 양의 되먹임이 만든 추가 에너지 때문에 지구는 한 번 더 데워지고, 그 데워짐이 다시 되먹임을 일으키는데, 그림의 점선 계단이 이 과정이다.
  4. 연결되먹임은 여러 권역을 잇는다. 수증기 되먹임은 수권과 기권, 얼음 알베도 되먹임은 빙권과 기권 사이의 일이다. 생물권도 끼어든다. 영구 동토층이 녹으면 그 속의 유기물이 분해되어 CO₂와 메테인이 나오고, 가뭄과 산불로 숲이 줄면 탄소 흡수가 줄어 강제력 자체를 키운다. 반대로 CO₂가 많아지면 식물의 광합성이 늘어 일부를 흡수한다(음의 되먹임). 기후 시스템은 이런 되먹임이 맞물려 유지된다.
  5. 적용되먹임을 모두 끄고 CO₂ 2배의 기온 상승을 읽어 보자. 수증기만 켜면 몇 배가 될까? 구름 되먹임을 범위의 양 끝(−0.10, +0.94)으로 움직이면 평형 기온 상승은 얼마에서 얼마까지 바뀔까? 같은 0.5만큼 바꿔도 되먹임 합이 클 때 결과가 더 크게 바뀌는 까닭을 계단 그림으로 설명해 보자.
  6. 판단양의 되먹임은 좋다는 뜻이 아니라 변화를 키운다는 뜻이다. 양의 되먹임이 있어도 합이 플랑크 응답보다 작으면 지구는 끝없이 데워지지 않고 더 높은 온도에서 멈춘다. 되먹임 가운데 가장 불확실한 것은 구름인데, 낮은 구름은 햇빛을 가려 식히고 높은 구름은 지구 복사를 붙잡아 데우기 때문이다. 계수들을 더한 이 계산은 약 3.4 °C를 주지만, IPCC는 관측과 고기후 자료를 함께 따져 최적 추정 3 °C(가능성 높은 범위 2.5~4 °C)로 평가했다. 또 얼음 알베도 되먹임은 얼음 경계가 넓게 움직일 때 직선 비례가 깨질 수 있다.

확인조건이 달라지면

어떤 행성은 플랑크 응답이 지구와 같고(3.22 W/m²/°C), 양의 되먹임 합이 2.9 W/m²/°C이다. 이 행성에 지구와 같은 강제력 3.93 W/m²를 주면?

탐구 2

생물이 행성의 기온을 조절할 수 있을까?

생물권과 기권의 상호 작용 · 데이지 세계 · 모식 모형
행성 평균 기온
—
생명이 없다면
—
덮인 넓이
—
행성 알베도
—

Watson과 Lovelock(1983)의 데이지 세계 모형을 그대로 계산했다. 알베도는 흰 데이지 0.75, 검은 데이지 0.25, 맨땅 0.5로 두었다. 데이지는 5–40 °C에서 자라며 22.5 °C에서 가장 잘 자라고, 해마다 30 %가 죽는다. 땅이 모두 비어도 씨앗이 1 % 남아 있다고 두었고, 햇빛 1은 917 W/m²(모형의 기준값)이다. 실제 지구가 아니라 생물과 기후의 되먹임을 보여 주려고 만든 가상 행성이며, 햇빛을 왼쪽에서 오른쪽으로 천천히 키우며 평형을 이어 간 결과이다.

  1. 질문태양은 나이가 들수록 밝아져, 약 40억 년 전에는 지금보다 25~30 % 어두웠다. 그런데도 지구에는 그때부터 바다와 생명이 있었다. 생물이 스스로 기후를 살기 좋게 유지할 수 있을까? 아주 단순한 가상 행성으로 실험해 보자.
  2. 복원행성의 기온은 흡수한 햇빛과 내보내는 복사가 같아지는 곳에서 정해진다. 알베도가 클수록 햇빛을 많이 반사하므로 기온이 낮아진다. 그리고 생물의 개체 수는 환경이 알맞으면 늘고 맞지 않으면 줄어든다.
  3. 설명데이지 세계에는 햇빛을 흡수하는 검은 데이지와 반사하는 흰 데이지만 산다. 햇빛이 약할 때는 검은 데이지가 주변보다 따뜻해서 먼저 퍼지고, 행성의 알베도를 낮춰 행성 전체를 데운다. 햇빛이 세지면 시원한 흰 데이지가 유리해져 퍼지고, 알베도를 높여 행성을 식힌다. 그래서 생물이 환경에 맞춰 늘고 줄어드는 일이 곧 기후를 되돌리는 음의 되먹임이 된다.
  4. 연결실제 지구에서도 생물권은 기권, 수권, 지권과 되먹임을 주고받는다. 식물의 광합성은 공기 중 CO₂를 줄이고, 숲은 증산 작용으로 수증기를 공급해 구름과 비를 만든다. 반면 북쪽으로 퍼지는 침엽수림은 눈 덮인 땅보다 어두워 햇빛을 더 흡수한다(양의 되먹임). 아마존 열대 우림이 줄면 비가 줄고, 비가 줄면 숲이 더 줄 수 있다.
  5. 적용“생명 없음”과 “흰·검은 데이지”를 오가며 햇빛 0.8~1.4 범위의 기온 변화를 비교해 보자. 데이지는 어느 범위에서 기온을 붙잡아 둘까? 햇빛을 올리며 아래 그래프에서 어떤 데이지가 먼저 퍼지고 어떤 데이지가 나중까지 남는지 보자. 한 종류만 있을 때는 조절 범위가 어떻게 달라질까? 햇빛이 아주 세져서 데이지가 모두 사라지는 순간 기온은 어떻게 될까?
  6. 판단데이지 세계는 생물이 일부러 기후를 조절한다는 뜻이 아니다. 각 데이지는 자기에게 유리한 곳에서 늘었을 뿐인데 결과로 조절이 나타난 것이다. 조절에는 한계가 있어서, 범위를 넘으면 생물이 사라지며 기온이 갑자기 뛴다. 실제 생물권의 되먹임은 양과 음이 섞여 있으므로, 사람이 내보내는 CO₂를 생물권이 알아서 상쇄해 줄 것이라고 기대할 근거는 되지 못한다.

확인조건이 달라지면

데이지 세계에 검은 데이지만 있다면, 햇빛이 지금보다 조금씩 세질 때 어떤 일이 일어날까?

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