기후시스템의 되먹임
본문대기의 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?
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.
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.
1.2.3예제 풀이
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.
- 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.
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.