기후 변화의 요인

본문

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약 2만 년 전에는 북아메리카와 유럽 북부가 두꺼운 빙하로 덮여 있었고, 해수면은 지금보다 120 m쯤 낮았다. 지구의 기후는 사람이 없을 때에도 크게 바뀌어 왔다. 그렇다면 지난 100여 년 사이의 빠른 기온 상승도 자연스러운 변화일까, 아니면 다른 원인이 있을까?

이산화 탄소 농도 (ppm)

그림 1. 이산화 탄소가 늘어날 때 지구가 추가로 받는 에너지(복사 강제력)는 농도의 로그에 비례한다. 농도가 산업화 이전의 두 배(560 ppm)가 되면 약 3.7 W/m²이다(평형 기온은 1 W/m²당 0.8 °C로 어림).

먼저 알아야 할 것지구의 공전과 계절, 태양 복사와 지구 복사, 온실 효과(통합과학), 로그.

1.6.1자연적 요인

지구의 기후는 지구가 받는 태양 에너지와 우주로 내보내는 에너지의 균형으로 정해진다. 이 균형을 바꾸는 자연적 요인이 여럿 있다. 지구의 공전 궤도 이심률은 약 10만 년, 자전축의 기울기는 약 4만 1천 년, 자전축이 가리키는 방향은 약 2만 6천 년 주기로 조금씩 변한다. 이 변화들이 계절별로 받는 햇빛의 양을 바꾸어 빙하기와 간빙기를 되풀이하게 한다는 것이 밀란코비치 이론이다.

태양 활동의 변화, 큰 화산 폭발로 성층권에 퍼진 화산재와 황산 방울, 대륙의 이동과 해류의 변화도 기후를 바꾼다. 큰 화산이 폭발하면 햇빛을 가려 한두 해 동안 지구 평균 기온이 0.5 °C쯤 낮아지기도 한다.

1.6.2인위적 요인

사람은 화석 연료를 태우고 숲을 없애 대기 중 이산화 탄소를 늘려 왔다. 산업화 이전 약 280 ppm이던 농도는 지금 420 ppm을 넘었다. 이산화 탄소와 메테인 같은 온실 기체는 지표가 내보내는 적외선을 흡수했다가 다시 방출하여 지표를 데운다.

정의 1.6.1 복사 강제력

어떤 요인이 바뀌어 지구 대기 꼭대기에서 들어오고 나가는 에너지의 균형이 달라진 양을 복사 강제력이라 하며, 단위는 W/m²이다. 값이 양이면 지구를 데우고, 음이면 식힌다.

그림 1에서 이산화 탄소 농도를 올려 보자. 농도가 두 배가 될 때마다 강제력이 같은 양씩 늘어나는 로그 관계이다. 지금의 420 ppm에서도 강제력은 약 2.2 W/m²로, 같은 기간 태양 활동 변화에 의한 강제력(0.1 W/m² 정도)보다 20배쯤 크다.¹

그림 2. 지구 궤도와 자전축의 느린 변화는 수만 년 주기로 빙하기와 간빙기를 일으킨다. 지난 100여 년의 빠른 변화와는 시간 규모가 다르다.

1.6.3예제 풀이

예제 1.6.2

이산화 탄소에 의한 복사 강제력을 \(F = 5.35 \ln\dfrac{C}{280}\) W/m²로 어림한다. 농도가 280 ppm에서 560 ppm으로 늘면 강제력은 얼마인가? 기후 민감도를 1 W/m²당 0.8 °C로 보면 평형 기온 상승은 얼마인가?

\(\dfrac{560}{280} = 2\)이므로 \(F = 5.35 \ln 2 \approx 5.35 \times 0.693 \approx 3.7\) W/m²이다.

평형 기온 상승은 \(0.8 \times 3.7 \approx 3.0\) °C이다. 빙하기에서 간빙기로 바뀔 때 지구 평균 기온이 4~6 °C 변했다는 것과 비교하면, 몇백 년 안에 그 절반이 넘는 변화가 일어날 수 있다는 뜻이다. 자연적 기후 변화는 대개 수천 년 이상에 걸쳐 일어나므로, 지금의 변화는 속도가 매우 빠르다.

기후 모형으로 자연적 요인만 넣어 계산하면 20세기 후반의 기온 상승을 재현하지 못하고, 인위적 요인을 함께 넣어야 관측과 맞는다. 아래 탐구 카드에서 밀란코비치 주기, 복사 강제력, 원인 판별, 대응 기술을 직접 따져 보자.

에어로졸은 햇빛을 반사하고 구름을 늘려 음의 강제력을 낸다. 그래서 대기 오염 물질을 줄이면 공기는 맑아지지만 온난화를 가려 주던 효과가 일부 사라지기도 한다.

마무리

기후는 지구 궤도와 자전축의 변화, 태양 활동, 화산 활동 같은 자연적 요인과, 온실 기체 증가 같은 인위적 요인으로 바뀐다. 복사 강제력은 각 요인이 에너지 균형을 얼마나 바꾸는지 비교하게 해 준다. 그래서 처음 질문의 최근 기온 상승은 수만 년 주기의 자연 변화로는 설명되지 않고, 크게 늘어난 온실 기체의 강제력이 주된 원인으로 꼽힌다.

탐구 1

지구의 궤도가 바뀌면 빙하기가 올까?

밀란코비치 주기 · 일사량 계산

이심률 (약 10만 년) 자전축 기울기 (약 4.1만 년) 세차 운동 (약 2.3만 년)

모형 시간 = 0 천 년

이심률: —
자전축 기울기: —
근일점 무렵: —
65°N 하짓날 일사량: —

일사량은 대기 꼭대기의 하루 평균값을 천문 공식으로 계산했다(태양 상수 1361 W/m²). 다만 세 요소의 시간 변화는 실제 과거 값이 아니라 주기만 맞춘 사인 곡선(모식)이고, 0천 년은 현재 값(이심률 0.0167, 기울기 23.44°, 근일점 1월 초)이다. 궤도 그림의 이심률은 과장했다.

질문지난 수십만 년 동안 지구는 약 10만 년 간격으로 빙하기와 간빙기를 오갔다. 태양의 밝기가 거의 그대로였다면 무엇이 이런 변화를 일으켰을까?
복원계절은 자전축이 기울어 있어서 생기고, 기울기가 클수록 여름과 겨울의 차이가 커진다. 또 지구와 태양 사이의 거리도 공전 궤도에서 조금씩 달라진다.
설명밀란코비치는 세 가지 느린 변화를 계산했다. 궤도가 찌그러진 정도인 이심률(약 10만 년, 40만 년 주기), 자전축 기울기(약 22.1°~24.5°, 약 4.1만 년 주기), 자전축이 팽이처럼 돌아 근일점에 오는 계절이 바뀌는 세차 운동(약 2.3만 년 주기)이다.
연결그런데 빙하가 자라려면 겨울에 쌓인 눈이 여름에 녹지 않고 남아야 한다. 그래서 대륙이 넓은 북반구 고위도(약 65°N)의 여름 일사량이 열쇠이다. 여름 햇빛이 약한 시기가 이어지면 빙하가 넓어지고, 흰 얼음이 햇빛을 더 반사해 더 추워진다.
적용세 주기를 하나씩 끄고 켜며 아래 그래프에서 일사량을 가장 크게 흔드는 주기가 무엇인지 보자. 이심률만 끄면(원 궤도) 세차 운동의 효과가 어떻게 되는지 확인하고, 이심률이 작은 시기에 세차의 흔들림이 작아지는 까닭도 생각해 보자.
판단궤도 변화는 1년 동안 지구 전체가 받는 에너지를 거의 바꾸지 않고, 계절과 위도에 따른 배분을 바꿀 뿐이다. 그래서 빙하기가 오고 가려면 빙하의 반사, 이산화 탄소 농도 변화 같은 되먹임이 함께 작용해야 한다. 또 이 변화는 수천~수만 년에 걸친 것이라 지난 백여 년의 빠른 온난화를 설명하지 못한다.

확인조건이 달라지면

지금은 북반구의 겨울(1월 초)에 지구가 근일점을 지난다. 약 1만 1천여 년 뒤 세차 운동으로 북반구 여름에 근일점을 지나게 되면, 다른 조건이 같을 때 북반구는?

탐구 2

지금의 온난화는 태양 때문일 수 있을까?

복사 강제력 · 자연 요인과 인위 요인

CO₂ = 420 ppm

태양 복사 변화 = 0.00 %

대규모 화산 분화 직후 (1991년 피나투보 규모)

강제력 합계: —
평형 기온 변화 (화산 제외): —
성층권은: —

CO₂ 강제력은 5.35 × ln(C/280) W/m², 태양 강제력은 1361 W/m² × 변화율 × 0.7 ÷ 4로 구했고, 피나투보 규모 분화 직후는 약 −3 W/m²(1~2년 지속, 대략)로 두었다. 평형 기온은 CO₂ 2배에 3 °C 오르는 기후 민감도를 가정했고, 아래 그래프는 모양만 보이는 모식이다.

질문기후는 태양 활동이나 화산 분화 같은 자연 요인으로도 변한다. 그렇다면 지금의 온난화가 사람 때문이라는 것은 어떻게 알 수 있을까?
복원지구의 기온은 들어오는 태양 복사와 나가는 지구 복사의 균형으로 정해진다. 그리고 이 균형을 바꾸는 힘을 복사 강제력(W/m²)이라 하며, 양이면 지구가 데워지고 음이면 식는다.
설명그래서 요인마다 강제력의 크기를 같은 단위로 비교할 수 있다. 태양 활동의 11년 주기에 따른 변화는 태양 복사량의 약 0.1 %로, 강제력은 약 0.2 W/m²이다. 반면 산업화 이전 280 ppm에서 420 ppm으로 늘어난 CO₂는 약 2.2 W/m²이다.
연결또 원인에 따라 남기는 지문도 다르다. 태양이 강해지면 대기 전체가 데워지지만, 온실 기체가 늘면 지표와 대류권은 데워지고 성층권은 오히려 식는다. 1979년 이후 인공위성 관측에서 대류권은 데워지고 성층권은 식어 왔다(오존 감소의 효과도 겹친다). 그리고 태양 복사량은 1980년대 이후 뚜렷하게 늘지 않았다.
적용CO₂를 280에서 420으로 올린 뒤, 태양 복사를 최대(+0.3 %)로 올려 막대를 비교해 보자. 아래 그래프에서 성층권의 모양이 각각 어떻게 다른지 보고, 화산 분화를 켜면 어떻게 되고 그 효과가 얼마나 오래가는지도 확인해 보자.
판단평형 기온은 강제력이 오래 유지되어 바다까지 충분히 데워진 뒤의 값이라, 지금 관측되는 상승(산업화 이전 대비 약 1.1 °C, 2011~2020년 평균)보다 크다. 실제로는 메테인 같은 다른 온실 기체와, 햇빛을 가려 식히는 에어로졸도 함께 작용한다. 그래서 이 카드는 크기와 지문을 비교하는 도구일 뿐 기후 모형이 아니다.

확인조건이 달라지면

어느 행성의 대류권 기온이 오르고 있다. 같은 기간 성층권 기온도 함께 올랐다면, 원인으로 더 그럴듯한 것은?

탐구 3

지금의 온난화가 자연 때문인지 사람 때문인지 어떻게 가려낼까?

실제 자료 · 기후 변화의 원인 규명 · 단순 에너지 균형 모형

모형에 넣을 요인

되먹임 계수 λ = 1.31 W/m²/°C

에어로졸 효과 = 1.1배

평형 기후 민감도: —
관측과 차이 (RMS): —
설명력 R²: —
2011–2020 모형 인위 / 자연: —

관측값은 NASA GISS GISTEMP v4 전 지구 연평균 기온(1880–2025, 퍼블릭 도메인)이다. 1880년부터라 1880–1900년 평균을 0으로 맞췄고, IPCC의 기준(1850–1900)과는 조금 다르다. 강제력은 Forster 외(2025) Indicators of Global Climate Change 2024의 유효 복사 강제력 최적 추정치(IPCC AR6 제7장 방법을 1750–2024년으로 이은 자료, CC BY 4.0)이고, 오른쪽 숫자는 2024년 값이다. 모형은 혼합층(열용량 8)과 깊은 바다(100 W·년/m²/°C)를 잇는 단순 에너지 균형 모형으로, 1750년부터 돌려 1850–1900년 평균을 0으로 맞췄다. 평형 민감도는 3.93 ÷ λ (CO₂ 2배 강제력 3.93 W/m²)이다. 화산 강제력은 AR6처럼 장기 평균을 0으로 놓았고, 단순 모형이 짧고 강한 화산 강제력에 지나치게 반응하는 경향을 줄이려고 효율 0.6을 곱했다(이 카드의 가정). 에어로졸 기본값 1.1배(2019년 약 −1.2 W/m²)는 AR6 평가 범위(−0.6 ~ −2.0 W/m²) 안이고, 엘니뇨 같은 내부 변동은 들어 있지 않다.

질문지구는 1880년 뒤로 1 °C 넘게 따뜻해졌다. 태양과 화산도 기후를 바꾼다면, 이 온난화의 원인이 사람이라는 것은 어떻게 증명할까? 지구를 하나 더 만들어 실험할 수는 없다.
복원복사 강제력은 지구의 에너지 수지를 바꾸는 힘(W/m²)이다. 온실 기체는 양(+)의 강제력, 햇빛을 반사하는 에어로졸과 화산 분출물은 음(−)의 강제력을 준다. 그리고 강제력이 양이면 지구는 데워지다가, 더 많이 내보내 다시 균형을 찾는다.
설명그래서 과학자는 모형 실험을 한다. 에너지 보존 식 C·dT/dt = F − λT 에 실제 강제력 F를 넣어 기온을 계산하되, 자연 요인만 넣은 경우와 인위 요인까지 넣은 경우를 비교한다. 관측을 설명하는 데 어느 요인이 꼭 필요한지 보면 원인을 가를 수 있는데, 이것이 원인 규명(탐지와 귀속)의 기본 생각이다. 또 λ가 작을수록 같은 강제력에 기온이 많이 오른다.
연결요인마다 시간 모양이 다르다. 화산은 한두 해 뾰족하게 식히고, 태양은 11년 주기로 조금 오르내리며, 온실 기체는 1950년 뒤로 가파르게 늘고, 에어로졸은 그 일부를 가린다. 그래서 관측 곡선은 이 모양들의 합으로만 설명된다. IPCC 6차 보고서는 2011–2020년 온난화(1850–1900 대비 약 1.1 °C)가 거의 모두 사람 때문이며, 사람이 대기, 해양, 육지를 데워 왔다는 것은 명백하다고 결론지었다.
적용"자연 요인만"을 고르고 λ를 끝까지 움직여 관측의 1950년 뒤 상승을 따라가게 만들 수 있는지 보자. 이번에는 "모두"에서 피나투보(1991) 직후 1992–93년의 하강이 모형에도 나타나는지 확인하고, 에어로졸 효과를 0으로 하면 1950–1980년 무렵 모형이 관측보다 얼마나 빨리 오르는지 보자. 마지막으로 "관측에 가장 잘 맞추기"를 누른 뒤 λ와 에어로졸을 함께 조금씩 바꿔, 비슷하게 잘 맞는 다른 조합을 찾아보자.
판단이 모형은 바다를 두 층으로만 나눈 단순 모형이라, 관측에 맞춘 λ로 정한 민감도는 실제 평가(AR6 최적 3 °C, 가능성 높은 범위 2.5–4 °C)보다 작게 나올 수 있다. 또 민감도가 크고 에어로졸 냉각도 큰 조합과, 둘 다 작은 조합이 비슷하게 잘 맞는데, 기온 기록 하나만으로 민감도를 좁히기 어려운 이유가 이것이다. 그러나 어떤 조합에서도 자연 요인만으로는 최근의 온난화를 만들 수 없다는 결론은 바뀌지 않는다. 이 모형에서 자연 요인의 몫은 +0.1 °C 안팎으로, AR6 평가(−0.1 ~ +0.1 °C)와 비슷하다. 화산 강제력의 효율 0.6은 이 카드가 둔 가정이고, 해마다의 들쭉날쭉(±0.1 °C 안팎)은 엘니뇨 같은 내부 변동이라 이 모형이 따라가지 못한다.

확인조건이 달라지면

만약 지난 70년 동안 태양 복사가 꾸준히 강해져 온 것이 온난화의 주된 원인이었다면, 이 카드의 실험 결과는 어떻게 달라졌어야 할까?

탐구 4

탄소 제거와 태양 복사 조절, 어떤 기술에 기대야 할까?

감축 · 탄소 제거 · 태양 복사 조절 · 적응 · 대응 수단 설계

예시 조합

— = —

감축 합계: —
탄소 제거 합계: —
2050년 순배출: —
제거 비용 (연, 대략): —

줄을 누르거나 끌어서 양을 정하고, 아래 슬라이더로 고른 수단을 미세 조정한다. 탄소 제거의 잠재량(띠), 비용, 준비 단계는 IPCC 6차 평가 보고서 제3실무그룹(2022)의 범위를 옮긴 대략값으로, 기술적으로 가능한 최대치에 가깝고 지속 가능한 양은 더 작다. 감축 수단의 한도는 현재 부문별 배출(대략)에서 이 카드가 정한 가정이며, 서로 겹치는 부분이 있다. 현재 배출 약 40 GtCO₂/년은 화석 연료와 산업 약 37에 토지 이용 변화 약 4를 더한 2020년대 중반의 대략값이고, 비용은 범위의 중간값으로 셈해 크기만 보는 값이다.

질문온난화를 멈추려면 CO₂ 순배출을 0으로 만들어야 한다. 그런데 배출을 줄이기는 어렵고, 공기에서 CO₂를 빨아들이거나 햇빛을 가리는 기술이 있다는 소식도 들린다. 이 기술들에 얼마나 기대도 될까?
복원기온 상승은 누적 CO₂ 배출량에 거의 비례하므로, 순배출이 0이 되어야 기온 상승이 멈춘다. 배출을 줄이거나 흡수를 늘려 온난화를 늦추는 것을 완화, 이미 생긴 변화에 맞춰 피해를 줄이는 것을 적응이라고 한다.
설명대응 수단은 세 갈래이다. 감축은 재생 에너지나 효율 향상으로 처음부터 덜 배출하는 것이고, 탄소 제거(CDR)는 이미 나간 CO₂를 다시 거둬 숲, 흙, 지층, 바다에 저장하는 것이다. 그리고 태양 복사 조절(SRM)은 성층권에 에어로졸을 뿌려 햇빛 일부를 반사시켜 기온만 낮추는 것으로, CO₂는 줄이지 않는다.
연결그런데 수단마다 따져야 할 기준이 다르다. 얼마나 많이(잠재량), 얼마에(비용), 얼마나 오래 가두는지(영구성), 무슨 부작용이 있는지, 지금 쓸 수 있는지(준비 단계)를 함께 보아야 한다. 화산 분화 뒤 지구가 한두 해 식는 것이 SRM의 자연 사례여서, 효과가 실제로 있다는 것과 그 효과가 1~2년이면 사라진다는 것을 함께 알 수 있다.
적용먼저 ‘탄소 제거에 기대기’를 눌러 경고를 읽어 보자. 다음에는 직접 순배출 0을 만들되, 탄소 제거를 전체의 25% 이하로 하고 잠재량 띠의 아래쪽 절반만 써 보자. 감축 수단을 모두 최대로 해도 남는 배출이 몇 Gt인지, 그 나머지를 어떤 제거 수단으로 왜 채웠는지 정리하고, 마지막으로 ‘복사 조절로 버티기’를 눌러 순배출이 왜 그대로인지 설명해 보자.
판단IPCC는 온난화를 1.5~2 °C로 막는 경로에서 빠르고 깊은 감축이 먼저이고, 탄소 제거는 철강, 항공, 농업처럼 줄이기 어려운 나머지 배출을 상쇄하는 데 함께 필요하다고 평가했다. 그래서 탄소 제거가 있으니 감축을 늦춰도 된다는 생각은 오개념이고, 잠재량 범위가 넓은 것은 아직 모르는 것이 많다는 뜻이다. 또 SRM은 CO₂를 그대로 두므로 바다의 산성화를 막지 못하고, 지역별 강수를 바꿀 수 있으며, 멈추면 가려 둔 온난화가 빠르게 돌아온다. 그래서 대책이 아니라 위험이 큰 연구 대상으로 다루며, 이 카드의 숫자는 크기를 비교하는 대략값이다.

확인조건이 달라지면

어느 나라가 "2050년까지 배출은 지금 수준으로 두고, 성층권 에어로졸 주입으로 기온 상승을 1.5 °C 안에 묶겠다"고 발표했다. 이 계획의 문제로 가장 알맞은 것은?