온실 효과와 지구 온난화

지구 표면의 평균 기온은 약 15 °C이다. 그런데 지구가 받는 햇빛과 내보내는 열만으로 계산하면, 대기가 없을 때 지구의 평균 온도는 약 −18 °C가 된다. 33 °C나 되는 이 차이는 어디서 올까? 그리고 이산화 탄소가 조금 늘었을 뿐인데 왜 기온이 오를까?

대기가 붙잡는 적외선의 비율(%)

2.3.1복사 평형

지구는 태양에서 주로 가시광선으로 에너지를 받고, 우주로 주로 적외선의 형태로 에너지를 내보낸다. 받는 에너지와 내보내는 에너지가 같아지는 온도에서 지구의 평균 온도가 일정하게 유지되는데, 이 상태를 복사 평형이라 한다. 더 뜨거운 물체일수록 더 많은 에너지를 내보내므로, 받는 양이 늘면 온도가 올라가 내보내는 양도 늘어 다시 균형을 이룬다.

2.3.2온실 효과

대기는 가시광선은 대부분 통과시키지만, 지표가 내보내는 적외선은 수증기, 이산화 탄소, 메테인 같은 기체가 흡수한다. 이 기체들을 온실 기체라 한다. 적외선을 흡수한 대기는 다시 적외선을 사방으로 내보내는데, 그 가운데 절반쯤은 지표로 돌아온다. 그러면 지표는 햇빛에 더해 대기가 돌려보낸 에너지까지 받으므로, 대기가 없을 때보다 따뜻해진다. 이것을 온실 효과라 한다.

온실 효과 자체는 해로운 것이 아니다. 온실 효과가 없으면 지구는 평균 −18 °C의 얼음 행성이 된다. 문제는 사람이 화석 연료를 태워 이산화 탄소를 빠르게 늘려 온실 효과가 강해지는 것이다. 그림 1의 슬라이더로 대기가 붙잡는 비율을 조금만 높여도 지표 온도가 따라 오르는 것을 볼 수 있다.¹

2.3.3온난화의 영향

지구의 평균 기온은 산업화 이전보다 약 1.1 °C 올랐다. 기온이 오르면 바닷물이 데워져 부피가 늘고 육지의 빙하가 녹아 해수면이 오른다. 또 폭염, 집중 호우, 가뭄 같은 극한 기상이 잦아지고, 생물의 서식지가 바뀌며, 바다가 이산화 탄소를 더 많이 녹여 산성화된다.

2.3.4예제 풀이

60년 동안 늘어난 양은 \(414 - 317 = 97\) ppm이므로 연평균 약 \(\dfrac{97}{60} \approx 1.6\) ppm이다.

최근 10년은 \(421 - 396 = 25\) ppm이므로 연평균 2.5 ppm이다. 즉 최근의 증가 속도가 60년 평균보다 약 1.5배 빠르다. 그래프의 곡선이 점점 가팔라지는 모습과 같은 결론이다.

농도가 일정하게 늘기만 하는 것이 아니라 늘어나는 속도마저 빨라지고 있다는 점이 온난화를 걱정하는 까닭이다. 아래 탐구 카드에서 온실 기체의 양을 바꾸며 지표 온도와 해수면이 어떻게 반응하는지 직접 확인해 보자.

1. 한 층 대기 모형에서 지표 온도는 대기가 없을 때 온도(약 255 K)에 \(\left(\tfrac{2}{2 - f}\right)^{1/4}\)를 곱한 값이다(\(f\)는 대기가 흡수하는 비율). 실제 기후는 구름, 수증기, 얼음의 반사 같은 되먹임이 더해져 훨씬 복잡하다.