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온실효과와 지구 온난화〈출처: 셔터스톡〉

온실효과와 지구 온난화는 같은 뜻일까?

온실효과는 좋은 걸까, 나쁜 걸까? 이런 질문을 던지면 대부분 나쁜 것이라고 대답한다. 그 대답을 듣고 다시, 지구 온난화는 좋은 걸까, 나쁜 걸까? 라고 질문을 하면 당신은 어떤 대답을 할까? 혹시 나쁜 것이라는 확신의 찬 대답을 했다면, 반은 맞고 반은 틀렸다.

온실효과와 지구 온난화는 어떻게 다를까?〈출처: 셔터스톡〉

흔히 같은 걸로 오해하는 ‘온실효과(Greenhouse effect)’와 ‘지구 온난화(Global warming)’¹⁾는 같은 과학적 원인에서 시작되었으나 그 결과가 매우 ‘다른’ 현상이다. 온실효과가 인류에게 좋은 편이라면 지구 온난화(기후 변화)는 나쁜 편이다. 같은 과학적 현상이나 동일한 화학 물질이더라도 정 반대의 결과를 나타낼 수 있다. 왜 이런 이중성이 나타나는 걸까.

뜨거운 태양을 바라보지 마라: 태양과 지구의 복사선

지구에 살고 있는 모든 생명체는 태양의 에너지를 필요로 한다. 우리 인간도 마찬가지다. 태양은 수소(H) 원자 4개가 열 핵융합 반응²⁾을 통해 헬륨(He) 원자로 바뀌면서 질량의 약 0.7% 정도가 사라지면서 에너지를 발생하는 항성³⁾이다. 이때 없어지는 질량과 발생하는 에너지 사이의 관계를 나타낸 식이 그 유명한 ‘엠씨스퀘어’이다.

이 식에서 주목해야 할 부분은 질량 변화량 자체보다 질량의 변화량에 1초에 3억 미터나 움직이는 빛의 속도를 제곱하여야 에너지 발생량이 구해진다는 것이다. 약간의 질량 변화에도 엄청난 에너지가 얻어진다.⁴⁾

태양의 열 핵융합 반응 결과, 태양 표면의 온도는 절대 온도 약 5,800K,⁵⁾ 즉 약 5,527℃이다. 아주 뜨거운 난로나 달궈진 쇠에서 빨간 빛이 나오는 것처럼 태양에서도 표면 온도에 맞는 빛(복사선)이 나온다. 태양에서 나오는 복사선은 파장이 짧고 에너지가 큰 감마선부터 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파,⁶⁾ 그리고 파장이 길고 에너지가 작은 라디오파까지 매우 다양하다.

태양 자체의 온도가 매우 높기 때문에 방출되는 복사선 역시 에너지가 강한 종류가 많다. 태양은 맨눈으로 볼 경우 눈의 시세포를 망가트릴 수 있어서 절대 맨눈으로 보면 안 된다. 다양한 여러 가지 복사선 중 태양과 지구 사이의 거리를 고려하면, 지구 표면까지 당도하는 파동은 주로 자외선과 가시광선, 적외선 등이다.

태양의 복사선<출처: 휴머니스트>

자외선은 가시광선의 보라색 선 바깥에 위치한 에너지가 큰 파동이다. 피부 세포의 핵 안에 유전 정보를 담당하는 DNA 사슬의 화학결합⁷⁾을 끊어서 암과 같은 돌연변이 세포를 만들거나 피부 세포의 노화를 촉진할 수 있다. 가시광선은 프리즘을 통과하면 무지개색으로 나누어지는 빛이다. 적외선은 가시광선의 빨간색 선 바깥에 위치한 에너지가 상대적으로 작은 파동이다.

온실효과란 무엇인가?

지구로 도착하는 태양의 복사에너지 중에서 약 17%는 지표면에 직접 반사되고, 나머지 83%는 지구로 흡수되어 지표면과 해수면이 약간 따뜻해진다. 이렇게 미지근한 지구에서는 에너지가 적은 적외선 영역의 복사선이 방출되는데, 에너지가 적고 파장이 긴 이 복사선을 지구 대기가 효과적으로 잡아주어서 지표면과 해수면의 평균 온도가 약 14~15℃ 정도로 유지된다. 이런 현상을 ‘온실효과’라고 한다.

온실효과는 지구에 도달한 태양의 에너지가 지구를 따뜻하게 하고, 따뜻해진 지구에서 나가는 에너지는 대기에 효과적으로 잡혀서 순환해 지구의 온도가 생명체가 존재하기 알맞은 상태로 일정하게 유지되는 현상이다. 마치 겨울에 난방을 하지 않은 온실이라도 바깥에 비해서는 따뜻하고 일정한 온도를 유지하는 것처럼.

온실효과<출처: (cc) Robert A. Rohde at Wikimedia>

온실효과를 일으키게 되는 이유를 화학적으로 분석해보면 대기를 구성하는 기체 분자의 공유결합 때문임을 알 수 있다. 자연계에서 모든 원자에 있는 전자는 정해진 위치에 있는 것이 아니라, 파동의 형태로 운동을 하고 있다. 계속적으로 원자핵 주위를 움직이는 전자의 위치를 사진으로 찍는 것은 거의 불가능하다.

가끔 뉴스에서 아주 높은 빌딩에 위에서 차들이 밤새 지나가는 모습을 찍은 영상에서 볼 수 있듯이 자동차 불빛이 어우러져 마치 구름처럼 퍼지는 모습을 상상하면 전자의 움직임을 더 이해하기 쉬울 것이다. 그래서 현대의 원자 모형을 한마디로 하면 원자핵 주위에 전자들이 구름처럼 퍼져 있다는 ‘전자구름’ 모형이라고 한다.

화학적으로 공유결합해 두 원자의 사이에 위치하는 전자 역시 열심히 운동을 하고 있지만, 다른 전자들과 큰 차이가 있다. 홀로 있는 원자의 전자들은 원자핵 주위의 공간을 자유롭게 오갈 수 있으나, 두 원자가 결합해 공동 소유한 결합전자(공유전자)는 주로 두 원자핵 사이의 공간에 더 많이 머무르면서 마치 두 개의 공 사이에 위치한 스프링이 왔다갔다 하는 것처럼 운동한다.

지구의 대기는 질소(N₂)와 산소(O₂), 아르곤(Ar)이 거의 99.9%를 이루고 나머지 0.1%에 이산화탄소(CO₂)를 비롯하여 네온(Ne), 헬륨(He), 메테인(CH₄), 수소(H₂) 등의 분자가 존재한다. 지구 대기의 약 78%를 차지하는 질소 분자와 21%를 차지하는 산소 분자의 화학 구조는 다음과 같다.

산소와 질소의 구조

산소나 질소 모두 동일한 원자끼리 전자를 공동 소유한 공유결합을 한다. 산소는 이중결합, 질소는 삼중결합으로 결합의 세기도 세고 탄탄해 산소와 질소의 공유전자가 하는 진동 운동은 따뜻한(사실은 미지근한) 지구에서 나가는 적외선 파동과는 에너지적인 면에서 그리 관계가 없다.

그러나 공유전자를 당기는 힘이 서로 다른 두 원자, 산소(O)와 탄소(C)가 결합한 이산화탄소의 경우 상황이 다르다. 탄소와 산소 사이에 위치한 전자들은 두 원자의 힘겨루기 상황에서 이리 저리 움직인다. 가운데 탄소는 양쪽의 산소가 전자를 당기긴 하지만 만약 왼쪽의 산소가 옆에 위치한 다른 분자와 새로운 상호작용(전자끼리의 밀당(?)으로 생각하면 된다.)을 하느라 바쁜 상태라면, 전자를 좀 더 당길 수도 있다. 이런 이산화탄소 분자 안의 공유전자가 세 원자핵 사이에서 움직이는 진동운동을 할 때 파동이 공교롭게도 미지근한 지구에서 나가는 적외선 복사선의 파동과 거의 비슷하다.

이산화탄소의 구조

자외선은 분자를 구성하는 탄소와 산소 원자의 결합을 끊어버리고, 마이크로파는 분자의 회전을 활성화시키지만 적외선 영역의 에너지는 탄소와 산소 사이의 공유전자들의 진동을 활발하게 만들어 결과적으로 이산화탄소의 에너지를 크게 만들어서 대기의 온도를 따뜻하고 일정하게 유지하는 온실효과를 일으키게 된다.

미움받는 지구 온난화의 주범, 이산화탄소

사실 이산화탄소는 온실효과를 일으켜서 지구에 생명체가 살기 좋게 만드는 일등 공신인 온실기체이다. 이산화탄소는 산업혁명 전까지 아주 오랜 세월 동안 지구의 공기 중 약 0.03%(약 280ppm)를 차지하던 미미한 양의 좋은 기체였다. 그러나 산업혁명 이후 급격한 산업화로 인해서 어마어마한 양의 석탄과 석유 등의 화석 연료가 연소되었다.⁸⁾ 또한 아마존 유역의 밀림과 다른 큰 숲이 사람들의 벌목과 개간으로 사라져가면서 이산화탄소는 2014년에는 397.7ppm으로 약 43%가 증가하해 이제는 지구 온난화(기후 변화) 원인의 60%를 차지하는 주범이 되었다.

광합성 과정<출처: (cc) At09kg at Wikimedia>

하지만 시선을 바꿔보자. 광합성이란 식물이 태양의 빛 에너지를 이용해 대기 중 이산화탄소와 토양의 물을 흡수해서 포도당과 산소를 만드는 과정이다. 산소를 공급하는 과정 때문에 광합성이 활발하게 일어나는 아마존 밀림을 지구의 허파라고 부른다. 또한 광합성을 통해서 만들어지는 포도당은 모든 생물, 그중에서도 인간이 이용하는 탄수화물의 기본 구성 물질이다. 만약 대기 중에 이산화탄소가 없다면 광합성은 일어나지 않을 것이다. 인류와 같은 종속영양생물⁹⁾이 살아가기 위해 꼭 필요한 영양분도 얻을 수 없게 된다.

광합성과 호흡의 반응식

반응식의 오른쪽에서 왼쪽으로 진행하는 화살표로 나타나는 ‘호흡’ 과정은 호흡운동을 통해 몸속으로 들어온 산소가 소화 과정을 통해 각각의 세포로 전해진 포도당과 세포 안의 미토콘드리아라는 작은 기관에서 만나 포도당을 쪼개서 다시 이산화탄소와 물로 바꾸는 과정을 통해 생물이 에너지를 얻는 화학적인 물질 대사 과정을 의미한다. 광합성을 통해 포도당으로 저장된 태양의 에너지가 호흡을 통해서 내 몸에서 사용되는 에너지로 바뀌는 과정이 저렇게 물질 사이의 화학 반응으로 일어나는 것이다.

모든 생물은 호흡을 하지 않고는 살아갈 수 없다. 광합성을 하는 식물도 언제나 호흡을 하고 있지만 낮에는 광합성을 하느라 흡수하는 이산화탄소의 양이 호흡하느라 내뱉는 양보다 많다. 밤에는 반대의 현상이 벌어져서 식물도 내뱉는 이산화탄소의 양이 훨씬 많다. 그렇다면 낮이고 밤이고 광합성을 못하는 대부분의 동물은 이산화탄소를 내뱉기만 하는 호흡만을 열심히 하고 있다는 이야기이다.

우리가 살기 위해 꼭 해야 하는 호흡에 필요한 산소는 반드시 이산화탄소를 식물이 흡수해야만 다시 공기 중으로 채워질 수 있다. 그렇기 때문에 이산화탄소는 광합성에 꼭 필요한 아주 중요한 원료이다. 물론 대기 중의 산소는 21%로 매우 많지만 그래도 광합성이 없이 계속해서 소비만 한다면 언젠가는 바닥이 보이게 될 것이다.

지구 온난화(기후변화)는 어떤 현상을 가져오는가?

지구 온난화(Global Warming)라고 불렸던 현상은 최근 기후 변화(Climate Change)로 바뀌었다. 그 이유는 지구 온난화라는 단어는 지구 전체의 온도가 올라간다는 의미이지만 실제로 지구의 평균 온도가 올라간 건 맞지만 각 지역을 놓고 보면 지구 평균 기온의 상승으로 인한 대기와 해수 순환의 변동으로 인하여 온도가 낮아진 곳도 여러 군데가 나타나기 때문이다. 따라서 지구 온난화라는 단어는 기후 변화라고 쓰는 것이 더 정확하지만 아직은 두 용어를 혼용하는 단계이다.

1951년부터 1980년까지 세계 평균 기온을 기준으로 한 2000년부터 2009년까지의 10년 동안의 세계 기온 변화 지도. 북극과 남극에서 매우 큰 기온 변화가 관찰된다.<출처: NASA Earth Observatory>

글의 처음에서 온실효과가 좋은 거고 지구 온난화(기후 변화)는 나쁜 거라고 이야기 했었다. 물론 두 현상 모두 대기 중에 존재하는 온실기체(이산화탄소를 비롯해 메테인, 프레온가스, 일산화이질소)가 원인이 되어 지구의 온도를 따뜻하게 만들어 일어난 것이다. 하지만 그 결과가 지구의 평균 온도를 생명체가 살기 적합한 온도로 일정하게 유지 시키느냐(온실효과), 아니면 너무 심하게 온도를 상승시켜서 대기와 해수의 흐름을 바꾸고 지표면 곳곳에 이상 기후를 일으키느냐(지구 온난화)로 나뉘게 된다.

지구 온난화(기후 변화) 때문에 일어나는 이상 현상은 무엇이 있을까? 첫 번째로는 해수면 상승이 있다. 해수면이 상승하면 당장 섬으로 구성된 나라의 영토가 많이 잠기게 되어 몇몇 섬나라는 지구 온난화가 50년 이상 지속될 경우 나라의 존속을 걱정해야 할 상황이다. 해수면 상승의 이유를 물으면 대부분 빙하가 녹아서라고 대답하는데, 이는 정확한 대답이 아니다.

물은 수소결합이라는 특이한 형태의 분자 사이 결합을 하고 있어서 얼음이 되면 부피가 커져서 상대적으로 가벼워지므로(즉, 밀도가 작아져서) 물위에 얼음이 뜨게 된다. 얼음이 동동 떠 있는 얼음물이 당연하게 보이지만 사실 기체에서 액체, 액체에서 고체로 상태가 변할수록 부피가 작아지고 밀도가 커져서 바닥으로 가라앉는 대부분의 물질에 비하면 물은 매우 특이한 성질을 나타내는 이상한 화학 물질이다.

바닷물에 떠있는 빙하〈출처: 셔터스톡〉

바닷물에 떠 있는 빙하의 물위로 나와 있는 부분은 물에서 얼음이 되면서 부피가 증가한 부분 만큼이다. 이 빙하가 다 녹아서 물이 된다면 전체 빙하 중에서 물위로 솟은 얼음부분만 빼고 딱 물에 잠긴 얼음 부피만큼의 물로 변하게 되어서 실제 해수면에 큰 변화를 주지 않는다. 물론 남극 대륙이나 북유럽의 영구 동토층이나 대륙 빙하들이 녹는 건 문제가 다르다. 대륙 위에 있던 얼음이 녹아서 바다로 들어가면 당연히 해수면 상승에 영향을 주겠지만, 현재까지 이렇게 녹아들어간 빙하의 양은 그리 많지 않다.

해수면 상승의 가장 큰 요인은 ‘해수의 열팽창’으로, 온도가 올라가면서 바닷물의 부피가 상승했다는 것을 의미한다. 액체와 기체 같이 흐를 수 있는, 즉 움직임이 용이한 상태의 물질은 온도가 올라가면 분자 간의 운동이 활발해져서 부피가 조금 늘어난다. 온도계를 생각해보자. 온도계는 가운데에 있는 가느다란 관에 빨간색 잉크를 탄 알코올이 들어 있어서 온도가 올라갈 때 운동이 활발해진 알코올의 부피가 증가하는 양을 옆에 있는 눈금으로 측정해 온도의 증가를 확인하는 기구이다.

지구의 기온은 20세기 평균 13.88℃에서 2016년 14.83℃로 증가하였다. 약 1℃ 정도의 온도 변화가 무슨 의미가 있겠냐고 생각할 수도 있지만, 그 상대가 엄청난 양의 바닷물이라면 이야기가 달라진다. 현재의 지구 온난화 상태가 앞으로 지속된다고 가정할 경우, 21세기 말에는 약 0.18~약 0.59m정도의 해수면 상승이 예측된다는 다양한 연구 결과들이 발표되었다. 섬나라나 저지대 도시의 경우 심각한 침수가 예상되고 있다.

약 1℃의 지구 기온 변화 때문에 해수면 상승뿐 아니라 아열대 지방의 사막화 현상 증가, 북극의 축소, 대기와 해수 순환의 변화로 인한 혹한과 폭염, 가뭄 폭우 등의 여러 가지 기상 현상의 이변이 나타났다. 이로 인한 농작물 수확량의 감소로 기아 인구 증가 및 생태계의 이상 변화가 관찰되고 있다. 하지만 더 걱정되는 현상은 따로 있다. 현재 대기 중 온실기체로 가장 많은 양이 존재하는 이산화탄소는 물에 녹으면 탄산이 된다.

음료에 들어 있을 정도로 산의 세기가 세지 않은 약산인 탄산이지만, 바닷물에 탄산이 많아질수록 해양 산성화가 심해져서 해양 생물의 약 70%가 몰려 살고 있는 주성분이 탄산칼슘인 산호초가 녹아버리게 되어 해양 생태계에 심각한 피해가 생길 수 있다. 이런 여러 가지 문제점 때문에 지구 온난화를 효과적으로 막기 위해서 온실기체 배출에 대한 협약 등을 국제적으로 맺어서 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 애쓰고 있다.

오존층 보호와 오존 주의보

온실효과와 지구 온난화와 비슷하게 우리가 헷갈리고 오해하기 쉬운 용어로 ‘오존 주의보(경보)’와 ‘오존층 보호’가 있다. 분명 똑같은 화학 물질인 오존(O₃)에 대한 이야기인데, 전자는 오존이 매우 나쁘니 주의보나 경보를 발령해서라도 조심하고 피해야 하고, 후자는 오존이 꼭 필요하니 오존층을 반드시 보호해야 한다는 것을 의미한다.

오존의 구조

오존(O₃)은 산소 원자 세 개가 결합한 물질로 옥텟규칙¹⁰⁾을 만족하기 위해서는 왼쪽의 그림처럼 산소 원자 간에 이중결합이 하나, 단일결합이 하나, 이렇게 두 종류의 결합이 존재해야 한다. 전자를 당기는 힘이 모두 같은 산소 원자가 그런 상황(한쪽에는 결합전자 4개가 몰려 있고 다른 쪽에는 결합전자 2개만 있는)을 용납하지 못해 결국 양쪽에 마치 1.5중 결합이 2개 있는 것과 같은 형태의 오른쪽 구조처럼 존재한다.

성층권에서 강한 자외선 때문에 산소 분자(O₂)가 산소 원자(O)로 깨지고, 옆에 있던 또 다른 산소 분자랑 결합해 오존이 생성된다. 매우 불안정하기 때문에 자외선에 또다시 깨지면서 계속 생성과 소멸을 반복하게 된다. 이런 작용을 통해 매일 3억 톤의 오존이 생성과 분해되면서 성층권에 14km~40km 영역에 약 2ppm~8ppm의 농도로 퍼져 있는 ‘오존층’을 형성한다.

오존층은 지표면으로 들어오는 강한 자외선의 대부분을 흡수해 지구에 육상생물이 출현하게 만들었다. 만약 오존층이 아니었다면 우리는 모두 자외선이 큰 영향을 미치지 못해서 안전한 바닷속에서만 사는 인어로 진화했을지도 모른다. 따라서 성층권에 존재하는 오존층은 인류를 비롯한 모든 육상생물이 안전하게 살기 위해서 꼭 필요하다.

현대 사회에서는 냉장고나 에어컨에 사용하던 프레온가스 등으로 급격하게 파괴되어 오존홀이라는 오존 농도가 너무 약한 영역이 생길 정도로 문제가 심각해지고 있다. 오존층의 보호를 위해 프레온가스의 사용을 제한하는 몬트리올 의정서(1989년 발효) 채택이라는 국제적인 협약 등의 노력을 통해 최근에는 많이 회복되고 있다.

오존이 성층권이 아니라 대기권에 있을 경우 완전 반대의 상황이 벌어진다. 불안정한 오존이 호흡 운동을 통해 체내로 들어오면 안정한 산소 분자와 홀로 떨어지는 산소 원자로 분해된다. 이때 산소 원자는 폐의 세포들과 결합해¹¹⁾ 세포가 제 기능을 못하게 만들기 때문에 폐렴이나 천식, 가슴의 통증과 기침이 심해지는 등의 심각한 호흡기 질환에 시달리게 된다.

또한 오존은 사실 아주 적은 양인10ppb¹²⁾에서도 사람이 감지할 수 있는 특유의 냄새가 나는데, 일상생활에서는 복사기로 복사를 할 때 나는 냄새가 그것이다. 지구의 대기권 중 사람이 거주하는 공간인 대류권에 오존은 존재하지 않는 게 좋다. 하지만 자동차 배기가스에서 나오는 질소와 산소가 결합된 질소 산화물이 성층권에서 다 흡수되지 않고 지표면으로 전해지는 자외선을 만나서 분해되면, 산소 원자가 튀어나오고 이 산소 원자가 공기 중의 21%나 있는 산소 분자와 만나서 오존이 된다. 오존의 농도가 높아지면 발령되는 오존 주의보(0.12ppm/h)나 오존 경보(0.3ppm/h) 등을 통해 우리는 외출을 자제하고 특히 노약자의 경우 주의를 기울여야 한다.

좋거나 나쁘거나, 화학 물질의 이중성

이산화탄소는 광합성의 원료로 식물이 살아가는 데 꼭 필요한 기체이자 온실효과를 일으켜서 지구의 온도를 따뜻하고 일정하게 유지시켜주는 고마운 기체이다. 그러나 많은 양이 존재할 경우 지구의 온도를 너무 높게 만들어서 여러 가지 피해를 일으키고 해양 생태계를 비롯한 지구 전체를 위험에 빠뜨리게 할 수도 있는 지구 온난화(기후 변화)의 주범이기도 하다.

실생활에서는 탄산음료나 아이스크림 케이크를 녹지 않도록 포장할 수 있게 해주는 드라이아이스, 화재가 발생할 때 물로 불을 끌 수 없는 박물관이나 미술관 같은 곳에 설치되는 스프링클러에 들어가기도 한다. 공기보다 무거워서 가라앉는 이산화탄소 기체를 불이 난 곳에 뿌리면 산소와 불의 접촉을 차단해 쉽게 불을 끌 수 있기 때문이다.

오존도 마찬가지로 성층권에 있어야만 모든 육상 생물이 살 수 있는, 반드시 보호해야하는 기체다. 하지만 대류권에 우리와 같이 존재할 경우, 강력한 산화력 때문에 우리의 호흡기를 망가뜨리고 눈의 각막을 상하게 하는 원인이 된다. 하지만 그 강력한 산화력을 이용해 물속의 박테리아나 병원균을 죽이는 살균제로 사용하여 정수 처리에 이용하기도 하고 종이 펄프나 섬유의 표백에 이용하기도 한다.

모든 화학물질은 이중성을 갖고 있다. 하지만 그 원인은 인간 때문인지도 모른다.〈출처: 셔터스톡〉

결론은 모든 화학 물질은 이와 같이 이중성을 갖고 있다는 것인데 사실 이 이중성이라는 기준도 인간의 관점에서 나누어 놓은 것은 아닐까? 모든 나쁘고 위험다고 인식된 화학물질이 사실은 그 화학 물질 자체에 문제가 있다기보다는, 있지 말아야 할 곳에 있어서는 안 되는 양 만큼 존재해서 나쁘고 위험한 결과를 가져 온 것은 아닐까? 화학 물질이 스스로 이리저리 옮겨 다니는 게 아니라면, 결국 인간이 자신의 편리를 위해서 너무 많은 양을 올바르지 않은 장소에 배출시켜놓고 화학 물질 탓만을 하는 건 아닌지 다시 한 번 되돌아봐야 한다.