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온실효과
온실효과(溫室效果, Greenhouse Effect)는 태양의 열이 지구로 들어와서 나가지 못하고 순환되는 현상이다.
태양에서 방출된 빛 에너지는 지구의 대기층을 통과하면서 일부분은 대기에 반사되어 우주로 방출되거나 대기에 직접 흡수된다. 그리하여 약 50% 정도의 햇빛만이 지표에 도달하게 되는데, 이때 지표에 의해 흡수된 빛 에너지는 열에너지나 파장이 긴 적외선으로 바뀌어 다시 바깥으로 방출하게 된다. 이 방출되는 적외선은 반 정도는 대기를 뚫고 우주로 빠져나가지만, 나머지는 구름이나 수증기, 이산화탄소 같은 온실 효과 기체에 의해 흡수되며, 온실 효과 기체들은 이를 다시 지표로 되돌려 보낸다. 이와 같은 작용을 반복하면서 지구를 덥게 하는 것이다.
실제 대기에 의해 일어나는 온실효과는 지구를 항상 일정한 온도를 유지시켜 주는 매우 중요한 현상이다. 만약 대기가 없어 온실 효과가 없다면 지구는 화성처럼 낮에는 햇빛을 받아 수십도 이상 올라가지만, 반대로 태양이 없는 밤에는 모든 열이 방출되어 영하 100℃ 이하로 떨어지게 될 것이다. 따라서 현재 환경 문제와 관련하여 나쁜 영향으로 많이 거론되는 온실 효과는 그 자체가 문제가 아니라, 일부 온실 효과를 일으키는 기체들이 과다하게 대기 중에 방출됨으로써 야기될지 모르는 이상 고온에 따른 지구 온난화 현상을 이야기하는 것이다.
개요
대기과학, 기후학에서 온실효과란 온실효과를 일으키는 가스입자에 의해서 지구표면과 대류권이 더워지는 효과를 의미한다. 온실효과를 일으키는 가스(온실가스: Greenhouse gas) 중 가장 대표적인 것이 이산화탄소이다. 이산화탄소는 지구표면과 대류권을 데우고, 따라서 이산화탄소 농도의 증가는 양의 복사강제력을 가진다. 온실가스가 지구표면과 대류권을 데우는 과정은 온실이 온실 안을 덥히는 방식과 다르다. 온실(예컨데, 비닐하우스)은 태양빛으로 달구어진 공기가 대류로 날아가지 못하게 가두어 두면서 높은 온도를 유지한다. 반면에 온실가스는 지구표면보다 자체 온도가 낮기 때문에 좀더 적은양의 장파복사를 우주에 방출하면서 지구표면과 대류권을 데운다. 온실가스가 지구표면보다 온도가 높으면, 오히려 지구표면과 대류권을 냉각시키게 된다. 또 중요한 사실은 온실가스가 성층권을 냉각시키는 작용을 하게 된다는 점이다.
그림에서 보여주듯이, 지표면보다 온도가 낮은 온실가스는 지표면보다 적은 농도로 빛을 방출 (즉 복사)하게 된다. 온실가스는 지표면이 방출하는 장파빛을 흡수하고, 위와 아래 방향으로 방출한다. 온실가스는 한 방향으로 오는 빛을 흡수하고, 양방향으로 방출하기 때문에, 지표면보다 온도가 낮더라도 양방향을 합한 총방출량은 일반적으로 흡수한 복사에너지보다 많게 된다. 즉, 온실가스는 적게 받고 많이 방출하기 때문에 시간에 따라 에너지를 잃고 냉각하게 된다. 냉각되는 온실가스는 비온실가스(예컨데, 질소분자)와 상호작용을 통해서 동일한 온도를 가지게 된다. 지표면은 온실가스가 아래로 방출하는 복사에너지를 받기 때문에, 온도가 증가하게 된다. 지표면과 대류권은 대류를 통해서 열이 교환되기 때문에, (장기적으로) 같은 방향으로 온도가 변하게 된다. 온실가스는 단기적으로 대류권을 냉각시키고 지표면을 가열시킨다. 냉각된 대류권과 가열된 지표면이 열을 교환한 이후에는 대류권과 지표면이 둘 다 온도 증가를 보이는데, 이는 온실가스가 지표면을 가열하는 효과가 대류권을 냉각시키는 효과를 능가하기 때문이다. 지표면과 열교환 측면에서 격리되어 있는 성층권은 온실가스에 의해서 냉각되게 된다.
온실가스가 지표면을 가열하는 효과가 대류권을 냉각시키는 효과를 능가하는 이유는 온실가스 온도가 지표면 온도보다 낮기 때문이다. 온실가스 덕분에 지구는 온도가 높은 지표면에서 우주로 직접 복사하지 않고, 온도가 낮은 온실가스에서 우주로 복사를 한다. 우주로 나가는 장파복사에너지의 축소는 지구에너지를 증가시키고, 이는 지표면-대류권의 온도를 증가시키는 결과로 나타난다.
온실기체(온실가스)
온실 기체 중에서 온실효과에 기여하는 정도를 4가지 주요 기체로 분류하였다:
지구 온실 효과에 기여하는, 기체가 아닌 주요 물질인 구름은 적외선 복사를 흡수하고 방출하므로 대기의 방사성 특성에 영향을 준다. 그렇다면 구름은 무엇인가? 구름은 액체 상태에 속한다.
이산화탄소
대기 중의 이산화탄소는 매년 그 양이 늘어나고 있다. 인간이 산업화를 진행하면서 사용하게 된 화석연료에 의해 그 양은 크게 늘었다. 1750년 산업혁명이 시작되면서 31%가 늘어나서 2003년에는 376ppm의 양이 대기 중에 존재했다. 이는 남극 빙하 속의 이산화탄소 양을 통해 측정한 과거 65만년 동안의 어느 시대에서보다 높은 양이다. 온실기체로 봤을 때 이산화탄소는 온실효과를 그다지 유발하지 않는 편에 속하며, 같은 농도의 메테인에 비해 20배 정도 그 효과가 약하다.
메테인
현재 연간 2억 5천만 톤이 대기 중으로 배출된다. 메테인은 화석연료를 태울 때에도 발생하지만, 비료나 논, 쓰레기더미에서도 발생하고, 심지어는 초식동물이 풀을 소화시킬 때 호흡에서도 발생하는 것으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 인구가 늘어나고 식량 생산을 늘려 나가는 과정에서 대기 중에 메테인이 늘어났다고 보는 것이 일반적인 견해이다. 툰드라 지방의 땅이 온난화로 인해 따뜻해지면 메테인을 방출할 것이라는 가설도 있다. 해저에도 메테인가스가 발생한다.
수증기
수증기는 대기 중에 대단히 많은 양이 존재하며, 흡수할 수 있는 열량 역시 이산화탄소나 메테인에 비해서도 대단히 크다. 하지만 수증기는 구름을 형성해서 태양빛을 반사할 수도 있기 때문에 실제로 어떻게 수증기가 온실효과에 영향을 미치는지 정확히 알기 어렵다. 또한 대기 중의 수증기량을 인위적으로 제어할 방법은 현재로선 없다.
이유
태양의 열은 지구에 들어오면 다시 나가는 것이다. 그 열은 지구 복사열이라 한다. 그러나 온실가스의 증가로 온실가스가 지구를 둘러싸게 되었다. 그 이유로 지구에 막이 생겼으며 태양의 열이 밖으로 나가지 못하게 되는 것이다.
온실가스는 지구의 대기 속에 존재하며, 땅에서 복사되는 에너지를 일부 흡수함으로써 온실효과를 일으키는 기체이다. 대표적인 것으로는 수증기, 이산화탄소, 메테인이 있다. 산업화의 영향으로 화석연료의 연소로 발생된 이산화탄소가 대기 중에 많아지게 됨으로써, 대기 중 온실가스가 늘어나게 되었고, 이에 따라 지구 온난화가 심각한 환경 문제로 대두되게 되었다.
우리 몸의 온도는 3~65세 기준으로 36.5~37.1도가 정상이다. 여기에서 1~2도만 올라도 몸에 적잖은 이상이 느껴진다. 만약 40도 가까이 치솟는다면 병원 응급실로 가야 한다.
지구도 비슷한 처지다. 유엔 산하 '기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)'는 최근 현 수준의 온실가스를 배출한다면 2021~2040년에 지난 1850~1900년보다 1.5도 상승할 가능성이 높다고 경고했다. 이는 3년 전에 예측한 것보다 9~12년이나 앞당겨진 것이라 충격적이다. 미국 프린스턴대 연구팀은 2021년 3월 '네이처지구과학' 논문에서 "1.5도 상승하면 땀으로 체온을 식힐 수 없어 (인류의 40%가량인) 적도 주민들이 생명을 위협받게 된다"고 했다. IPCC는 온실가스를 가장 많이 배출하는 시나리오일 때는 2081~2100년 3.3~5.7도나 폭등할 것으로 우려했다.
지구는 2011~2020년 기준으로 지표면 평균온도가 1850~1900년에 비해 이미 1.09도 올랐다. 시베리아에서 끊임없이 산불이 확산하며 동토층에서 기후위기의 주범 중 하나인 메탄을 뿜어내고 오래전 잠든 각종 바이러스와 세균을 깨우는 게 단적인 예다. 북미 서부, 남미 아마존·남유럽·호주·터키·인도네시아·아프리카에서 대형 화재의 빈도가 증가하고 강도가 세지고 있다. 산불이 나면 탄소가 엄청나게 배출돼 다시 온난화를 부채질하는 악순환이 빚어진다. 모기가 번성하며 말라리아·지카바이러스·뎅기열 등 지구촌의 감염병 위험도 커지고 있다. 폭염과 가뭄이 심화돼 아프리카·중동·미주·아시아 등 물 부족 현상도 심해지고 있다. 세계적 열대 늪지 브라질의 판타나우의 지표수가 1991~2020년 74%나 급감했고 이란의 최대 호수인 우르미아는 물이 빠르게 증발하며 면적이 30여 년 만에 절반으로 감소했다. 이런 물 주목 사태는 수질이나 식량 사정 악화로 이어지게 된다. 반면 미국 동부와 남부, 서유럽과 중국 서부 등은 지구촌의 기록적인 폭우에 시달린다. 미국은 동부는 폭우, 서부는 가뭄이라는 양 극단 현상이 뚜렷해지고 있다. 바닷물의 온도가 올라가며 태풍도 사나워지고 있다. 극지방이 녹아 지구 평균해수면이 1901~2018년 20㎝나 높아졌다. 투발루·몰디브 등 섬나라에서만 소중한 삶의 터전을 잃어버리는 게 아니다.
지구의 대기는 78%의 질소와 21%의 산소 외에 1%의 다양한 기체로 이뤄져 있는데 수증기·이산화탄소·메탄·아산화질소 등이 비닐하우스처럼 온실 역할을 한다. 태양의 적외선·가시광선·자외선 등 전자기파의 복사(radiant) 에너지가 대기를 통과한 뒤 지표면에 도달했다가 반사될 때 붙잡아두는 것이다. 태양과 지구 사이에 있는 금성의 경우 이산화탄소가 대기의 98%를 차지하며 지표면 온도가 무려 477도나 될 정도로 불구덩이다.
지구 온실기체의 절반이 넘는 이산화탄소는 대기에 5~200년 머무른다. 석탄 화력발전소와 석유화학·철강·시멘트 등 공장·자동차·가정에서 석탄·석유 등 화석연료를 태울 때 이산화탄소를 내뿜는다. 산불이나 무분별한 벌목 등 숲을 파괴하거나 동식물이 썩을 때도 이산화탄소가 많이 나온다. 페테리 탈라스 세계기상기구(WMO) 사무총장은 "(지구촌의 각종 재난재해는) 미래 세대가 겪을 것의 맛보기"라며 “"온실가스, 특히 이산화탄소의 농도는 기록적인 수준"이라고 우려했다.
최근에는 천연가스인 메탄의 역습에 주목하는 전문가도 늘고 있다. 무색·무취의 메탄은 화석연료와 신재생에너지를 연결하는 교량에너지로 간주돼 가정·산업용으로 널리 쓰이고 있으나 갈수록 온실가스의 주범으로 눈총을 받는다. 유엔환경계획(UNEP)에 따르면 북미의 경우 메탄 배출량의 14%가 석유·천연가스 생산에서 배출되며 10%는 가축(소·양·염소)이 되새김질을 할 때 트림이나 방귀 형태로 나온다. 중국에서는 석탄 채굴 과정에서 24%의 메탄이 방출된다. 메탄은 화산 폭발이나 동식물 분해, 쓰레기 매립지, 심지어 논농사 과정에서도 배출된다.
IPCC는 최근 보고서에서 메탄의 단기 온실효과가 이산화탄소의 80배 이상에 달한다고 지적했다. 12년간 대기에 머무르는 메탄은 대기 중 농도가 이산화탄소의 0.5% 수준이지만 1850~1900년 이후 지구 기온을 약 0.5도 상승시켰다. 이는 이산화탄소의 온도 상승 영향의 3분의 2 수준이다. IPCC 보고서의 주요 필자인 찰스 코벤 미국 로런스버클리국립연구소(LBNL) 박사는 "단기적으로 기후변화를 가장 빠르게 늦추는 방법은 믿기 힘들 정도로 강력한 온실효과를 갖고 있는 메탄을 줄이는 것"이라고 조언한다.
동식물을 태우거나 질소비료를 쓸 때 나오는 아산화질소는 세 번째로 지구 온도 상승에 영향을 미친다. 메탄보다 비중은 작지만 온실효과가 3~4배나 된다. 앞서 냉장고나 에어컨의 냉매나 스프레이 등으로 널리 쓰였던 온실가스인 프레온가스는 이산화탄소보다 무려 1만 배가량이나 온실효과가 커 2010년부터 사용이 금지됐으나 중국에서 여전히 검출되고 있다.
IPCC는 "이산화탄소·메탄·아산화질소·불화탄소·수소화불화탄소·불화유황이라는 여섯 가지 온실가스를 지속적이고 강력하게 감축한다면 지구온난화를 억제하고 대기 질이 향상될 것"이라고 기대했다.[1]
각주
- ↑ 고광본 기자, 〈온실효과 이산화탄소의 80배…지구 덮친 '메탄의 역습'〉, 《서울경제》, 2021-08-25
참고자료
- 〈온실효과〉, 《위키백과》
- 〈온실효과〉, 《기상학백과》
- 고광본 기자, 〈온실효과 이산화탄소의 80배…지구 덮친 '메탄의 역습'〉, 《서울경제》, 2021-08-25
같이 보기
