해수면 상승

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지난 100여 년 동안 전 세계 평균 해수면은 약 20 cm 올랐고, 지금은 한 해에 약 4 mm씩 오르고 있다. 해수면이 오르는 까닭은 두 가지이다. 바닷물이 데워져 부피가 늘어나는 것과, 육지의 빙하와 빙상이 녹아 바다에 물이 더해지는 것이다. 두 몫은 각각 얼마나 될까? 그리고 북극 바다 얼음이 녹는 것은 왜 해수면에 거의 영향을 주지 않을까?

바다 상층 2000 m 평균 승온 (°C) 녹은 육지 얼음 (천 Gt)

그림 1. 바다 상층 2000 m가 데워져 늘어난 부피(열팽창)와 녹은 육지 얼음이 더한 물로 생기는 해수면 상승(대략값). 육지 얼음 362 Gt이 녹으면 해수면이 약 1 mm 오른다.

먼저 알아야 할 것물의 열팽창(물리학), 부력과 떠 있는 얼음, 비열과 융해열, 기후위기의 원인(기후위기의 원인).

2.2.1두 가지 원인

바닷물은 데워지면 부피가 늘어난다. 바닷물의 부피 팽창 계수는 온도에 따라 다르지만 대략 1 °C에 1만분의 2 정도이다. 깊이 2000 m의 물기둥이 0.1 °C 데워지면 \(2000 \times 2 \times 10^{-4} \times 0.1 = 0.04\) m, 곧 4 cm 높아진다. 바다는 지구가 얻은 여분의 열의 90% 이상을 흡수하므로 열팽창이 해수면 상승의 큰 몫을 차지한다.

정리 2.2.1 해수면 상승의 두 몫

열팽창에 의한 상승은 \(\Delta h \approx \beta H\Delta T\)(\(\beta\)는 팽창 계수, \(H\)는 데워진 층의 두께)이다. 육지 얼음이 녹은 양에 의한 상승은 녹은 얼음의 질량 ÷ (물의 밀도 × 바다 넓이)로, 바다 넓이 약 3.6억 km²에서 362 Gt마다 약 1 mm이다.

그림 1에서 두 값을 바꾸어 보자. 바다 상층이 0.1 °C 데워지면 약 4 cm, 그린란드와 남극에서 5000 Gt이 녹으면 약 1.4 cm이다. 최근 수십 년 동안에는 두 몫이 비슷했지만, 지금은 빙하와 빙상이 녹는 몫이 더 커지고 있다. 바다에 떠 있는 해빙은 이미 자기 무게만큼의 물을 밀어내고 있어, 녹아도 해수면을 거의 올리지 않는다.¹

2.2.2해수면 상승의 영향

해수면이 오르면 낮은 해안과 섬이 물에 잠기고, 폭풍 해일과 만조가 겹칠 때 침수 피해가 커진다. 바닷물이 지하수와 강 하구로 스며들어 농사와 마실 물이 어려워진다. 투발루나 몰디브처럼 해발 고도가 몇 m에 불과한 섬나라는 나라 자체가 위협받는다. 그리고 바닷물이 데워지고 빙상이 녹는 반응은 매우 느려, 온실가스 배출을 멈춘 뒤에도 해수면은 수백 년 동안 계속 오른다.

그림 2. 물에 떠 있는 얼음은 이미 자기 무게만큼 물을 밀어내고 있어, 녹아도 수위가 거의 변하지 않는다.

2.2.3예제 풀이

예제 2.2.2

지구가 2006~2018년에 얻은 열 가운데 약 3%가 얼음을 녹이는 데 쓰였다. 얼음 1 kg을 녹이는 데 334 kJ, 물 1 kg을 1 °C 데우는 데 4.2 kJ이 든다. 같은 에너지로 얼음을 녹이는 것과 바닷물을 데우는 것을 비교하여, 얼음에 간 열이 적어도 해수면 상승의 큰 몫을 만드는 까닭을 설명하여라.

334 kJ은 얼음 1 kg을 녹여 물 1 L를 바다에 더한다. 같은 334 kJ으로 바닷물을 데우면 \(\dfrac{334}{4.2} \approx 80\) kg의 물을 1 °C 데우고, 그 부피는 \(80 \times 2 \times 10^{-4} = 0.016\) L만 늘어난다.

같은 에너지로 얼음을 녹이면 부피가 약 60배 더 늘어나는 셈이다. 그래서 지구가 얻은 열의 3%만 육지 얼음에 갔어도, 해수면 상승의 절반 가까이를 얼음이 만든다. 즉 해수면을 예측할 때는 열이 어디로 가는지가 매우 중요하며, 특히 그린란드와 남극 빙상의 변화를 주의 깊게 지켜본다.

아래 탐구 카드에서 해수면 상승의 두 몫을 직접 계산하고, 얼음에 간 적은 열이 큰 몫을 만드는 까닭을 확인해 보자.

정확히 말하면 바닷물은 짜고 녹은 얼음은 민물이라 밀도가 조금 달라, 떠 있는 얼음이 모두 녹으면 해수면이 아주 조금(약 3%) 오른다. 그래도 육지 얼음에 비하면 무시할 만하다.

마무리

해수면 상승은 바닷물이 데워져 늘어나는 열팽창(\(\beta H\Delta T\))과, 육지의 빙하와 빙상이 녹아 물이 더해지는 몫(362 Gt마다 약 1 mm)으로 이루어진다. 떠 있는 해빙은 녹아도 해수면을 거의 올리지 않으며, 같은 에너지로 얼음을 녹이면 열팽창보다 훨씬 큰 부피 변화가 생긴다. 그래서 처음 질문의 두 몫은 최근 비슷하게 나뉘다가, 지금은 육지 얼음이 녹는 몫이 점점 커지고 있다.

탐구 1

해수면 상승 가운데 바닷물이 늘어난 몫과 바다에 물이 더해진 몫은 얼마일까?

실제 자료 · 위성 고도계와 해양 수온 관측 · 해수면 수지

열팽창 계산 깊이

구간 = —

구간 길이 = 20년

전체 상승률: —
열팽창: —
나머지 (질량 증가): —
열팽창의 몫: —

전체 해수면은 NOAA 위성 고도계 연구실(LSA)의 전 지구 평균 해수면에서 계절 변동을 뺀 값의 연평균이다(1993–2024, 빙하 후 지각 반동 보정 없음). Altimetry data are provided by NOAA Laboratory for Satellite Altimetry. 열팽창은 NOAA NCEI 해양 열용량 자료의 전 지구 열팽창 해수면으로, 0–700 m는 1955년부터, 0–2000 m는 Argo 시대인 2005년부터이다(미국 정부 자료). 세 곡선은 2005–2007년 평균을 0으로 맞췄고, 상승률은 구간 안의 연평균에 맞춘 직선의 기울기이다. 2000 m보다 깊은 바다의 열팽창(약 0.1 mm/년)은 ‘나머지’에 섞여 있다.

질문인공위성은 1993년부터 레이더로 바다 표면의 높이를 재고, 전 지구 평균 해수면은 한 해에 몇 mm씩 오르고 있다. 그런데 해수면이 오르는 길은 두 가지이다. 바닷물이 데워져 부피가 커지거나, 육지의 얼음과 물이 바다로 들어오는 것이다. 두 몫을 어떻게 나눠 볼 수 있을까?
복원물은 4 °C 위에서는 데워질수록 부피가 커진다(열팽창). 육지 위의 빙하와 빙상이 녹아 흘러들면 바다의 물이 늘지만, 바다에 떠 있는 바다 얼음은 녹아도 해수면을 거의 바꾸지 않는다. 바다의 넓이는 약 3.6억 km²라서, 물 362 Gt(3620억 t)이 더해지면 해수면이 1 mm 오른다.
설명바다 속 온도는 Argo 뜰개 약 4000개가 2000 m 깊이까지 오르내리며 잰다. 온도 변화와 바닷물의 팽창률로 열팽창 해수면을 계산하고, 위성이 잰 전체 해수면에서 빼면 나머지가 바다에 더해진 물의 몫이다. 이 몫은 중력 관측 위성(GRACE)이 잰 빙상과 빙하의 질량 감소와 대체로 맞아떨어진다. 이렇게 원인별로 나눈 표를 해수면 수지라고 한다.
연결IPCC 6차 보고서에 따르면 전 지구 평균 해수면은 1901–2018년에 약 0.20 m 올랐고, 상승 속도는 1901–1971년 연 1.3 mm에서 2006–2018년 연 3.7 mm로 빨라졌다. 1971–2018년 상승의 50 %는 열팽창, 22 %는 산악 빙하, 20 %는 빙상, 8 %는 육지에 저장된 물의 변화가 차지했다. 그리고 최근에는 그린란드와 남극 빙상의 몫이 커지고 있다.
적용구간을 1993년부터 10년, 그리고 2015년부터 10년으로 놓고 전체 상승률을 비교해 보자. 해수면 상승이 빨라지고 있을까? 0–2000 m를 고르고 구간을 2005–2024년으로 하면 열팽창의 몫은 몇 %일까? 0–700 m로 바꾸면 열팽창이 얼마나 줄어들고, 그 차이는 무엇을 뜻할까?
판단전 지구 평균 해수면이 몇 mm 오른다고 모든 해안이 똑같이 오르지는 않는다. 해류와 바람, 바닷물 온도의 차이, 지각이 가라앉거나 솟는 움직임 때문에 지역마다 상승 속도가 다르고, 우리나라 연안도 곳마다 다르다. 해마다의 들쭉날쭉은 엘니뇨 때 비가 바다에 많이 내리고 라니냐 때 육지에 많이 내리는 물의 이동 때문이기도 하다. 또 열팽창이 0–2000 m에서만 계산되었으므로 ‘나머지’에는 깊은 바다의 열팽창과 두 관측의 오차가 함께 들어 있다.

확인조건이 달라지면

어느 10년 동안 위성이 잰 해수면 상승률이 4.0 mm/년이고, Argo로 계산한 열팽창이 1.4 mm/년이었다. 같은 기간 북극 바다 얼음은 크게 줄었다. 옳은 해석은?

탐구 2

지구가 얻은 열의 3 %만 얼음에 갔는데, 왜 해수면 상승의 절반 가까이를 얼음이 만들까?

해수면 상승의 두 원인 · 열팽창과 육지 얼음의 융해 · 어림 계산

지구 에너지 불균형 = 0.79 W/m²

얼음으로 가는 몫 = 3 %

데워지는 바닷물의 온도 = 10 °C

바닷물 열팽창 계수: —
열팽창: —
얼음 녹은 물: —
같은 1 J의 효과 (얼음 ÷ 바다): —

에너지 배분은 IPCC AR6의 1971–2018년 지구 열량 증가 몫(바다 91 %, 육지 약 5 %, 얼음 약 3 %, 대기 약 1 %)을 따랐고, 지구 에너지 불균형의 기본값 0.79 W/m²은 AR6의 2006–2018년 평가값이다. 바닷물 열팽창 계수는 염분 35, 해면 압력에서의 근삿값이다(깊은 곳에서는 압력 때문에 조금 커진다). 바닷물 밀도 1025 kg/m³, 비열 3990 J/(kg·°C), 얼음의 융해열 3.34×10⁵ J/kg, 바다 넓이 3.62×10⁸ km²를 썼다. 얼음으로 간 에너지를 모두 육지 얼음을 녹이는 데 썼다고 본 어림 계산이라서 얼음 몫은 실제보다 크게 나온다.

질문온실 기체가 늘어 지구는 들어오는 에너지가 나가는 에너지보다 조금 많은 상태(에너지 불균형)이다. 그 남는 에너지의 90 % 넘게 바다가 받고, 얼음에는 3 % 정도만 간다. 그런데도 해수면 상승에서 얼음이 녹은 물의 몫은 열팽창과 비슷하거나 더 크다. 어떻게 그럴 수 있을까?
복원물질의 온도를 1 °C 올리는 데 필요한 열이 비열이고, 녹는점의 얼음을 물로 바꾸는 데 필요한 열이 융해열이다. 그리고 바닷물은 데워지면 부피가 아주 조금 늘어나는데, 그 비율이 열팽창 계수이다.
설명1 J로 바닷물을 데우면 늘어나는 부피는 열팽창 계수 ÷ (밀도 × 비열)로, 10 °C 바닷물에서 약 4×10⁻¹¹ m³이다. 같은 1 J로 육지 얼음을 녹이면 1 ÷ (융해열 × 물의 밀도) ≈ 3×10⁻⁹ m³의 물이 바다에 더해진다. 육지 얼음을 녹이는 쪽이 같은 에너지로 해수면을 수십 배 더 올리므로, 작은 에너지 몫으로도 큰 상승을 만든다. 또 찬 물은 열팽창 계수가 작아서, 같은 열이 극지나 깊은 바다로 가면 열팽창이 작아진다.
연결육지에 쌓인 얼음이 모두 녹으면 해수면은 그린란드 빙상이 약 7.4 m, 남극 빙상이 약 58 m, 산악 빙하가 약 0.3 m 올린다. 빙상은 천천히 반응하지만 한번 줄기 시작하면 되돌리기 어렵고, 해수면 상승은 온실 기체 배출을 멈춘 뒤에도 수백 년 넘게 이어진다. 열이 깊은 바다까지 퍼지는 데 오랜 시간이 걸리고 빙상도 천천히 녹기 때문이다.
적용기본값에서 열팽창과 얼음 녹은 물을 읽고, 점선(최근 위성 관측 약 3.7 mm/년)과 비교해 보자. 바닷물 온도를 25 °C와 2 °C로 바꾸면 열팽창은 몇 배 차이 날까? 얼음으로 가는 몫을 1 %만 늘리면 해수면 상승은 얼마나 늘어날까? 에너지 불균형을 2배로 하면 어떻게 될까?
판단이 계산은 얼음으로 간 에너지를 모두 육지 얼음을 녹이는 데 썼다고 보았다. 실제로는 그 가운데 상당 부분이 해수면과 상관없는 바다 얼음을 녹이고 얼음을 데우는 데 쓰인다. 반대로 빙상은 녹지 않고도 빙하가 바다로 미끄러져 떨어져 나가는(빙산 분리) 방식으로 해수면을 올리기도 한다. 따라서 이 카드는 크기를 어림하는 도구일 뿐, 실제 기여는 위성 관측으로 따로 잰다.

확인조건이 달라지면

앞으로 바다가 받는 열이 주로 따뜻한 표층(25 °C)이 아니라 남극 주변의 차가운 깊은 바다(2 °C)로 들어간다면, 같은 열량에 대한 해수면 상승은?