1장

서론

지구 표면의 온도는 20세기가 시작된 이래 계속 올라갔다. 이런 추세는 19세기 중반 이후 평균 지구 표면 온도 이상^{1961~1990년의 평균을 기준선으로 한다.}을 나타낸 그림 1.1에서 확인해 드러난다. 기온은 1년, 10년, 수십 년 주기로 요동치면서도 지난 100년 동안 점점 증가했고, 지난 수십 년 동안 비교적 크게 증가했다. 19세기 중반 이전의 기간에 대해서는 자연에 남은 흔적으로 지표면 온도의 장기적인 추세를 재구성하려는 시도가 많이 이루어졌고, 나무의 나이테, 얼음 코어, 산호, 퇴적물을 비롯한 해양과 육지의 증거 1,000건 이상이 축적되었다. 이러한 노력의 한 예로, 그림 1.2는 마이클 에번 맨^{Michael Evan Mannㅗㅗ. 등이 재구성한 북반구 평균 표면 온도의 추이를 보여 준다. 이 재구성에 따르면, 지표면의 온도는 1450년과 1700년 사이에 비교적 낮았으나소빙기, 중세에 기후 이상이 나타났던 1100년 이전에는 비교적 높았다. 그러나 이러한 결과는 지난 반세기간의 따뜻했던 기후는 적어도 지난 1,500년간과 비교해 보면 상당히 이례적이었음을 암시한다.}

「기후 변화에 관한 정부 간 협의체 제5차 평가 보고서^{Fifth Assessement Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change}」^{이후 「IPCC 제5차 평가 보고서」}에 언급되었듯이, “20세기 중반 이후에 관측된 온난화의 지배적인 원인은 인간의 영향이었을 가능성이 극단적으로 크다.” 또한 이 보고서는 관측된 온난화의 대부분이 인간의 활동에 따른 이산화탄소, 메테인, 아산화질소와 같은 온실 기체의 농도 증가 때문일 수 있다고 결론지었다. 지난 1,200년 동안 이산화탄소^CO₂ 농도의 시간에 따른 변화를 보여 주는 그림 1.3에 따르면, 대기에서 CO₂의 수치는 서서히 증가하기 시작한 18세기 이전에는 약 280ppmv^{부피당 100만분의 1} 근처에서 오르내렸다. 이러한 증가는 20세기에 빨라졌고, 그림 1.1에서 볼 수 있듯이 이때 온도도 높아졌다. 같은 기간에 메테인^메탄이나 아산화질소 등 다른 온실 기체도 정상적으로 비슷하게 증가했다. 온실 기체는 대기에서 차지하는 함량이 매우 작지만^{표 1.1}, 적외선을 강하게 흡수하여 방출해 지구 표면을 따뜻하고 거주 가능한 기후를 유지하는 데 도움이 되는 이른바 ‘온실 효과^{green house effect}’를 일으킨다.

이 장의 나머지 부분에서는 이 기체들이 지구에서 방출되는 적외선의 상향 플럭스^flux를 변화시켜 지구 표면 온도에 영향을 미치는 메커니즘을 설명한다. 그런 다음에 이 기체들의 농도가 증가함에 따라 온실 효과가 증가해 난류와 대류로 인한 열의 상승으로 인해 지구 표면뿐만 아니라 대류권 전체가 따뜻해진다는 점을 논의한다.

온실 효과

지구는 전자기 복사를 통해 주변과 에너지를 교환한다. 따라서 지구의 열 균형은 그림 1.4와 같이 비교적 짧은 파장^~0.4~1μm을 가진 태양 복사를 흡수하고 지구에서 빠져나가는 비교적 긴 파장의 복사^~4~30μm을 방출하는 데 따른 열 손실로 결정된다. 태양이 내뿜는 에너지의 양과 지구 대기의 구성이 변하지 않을 것이라는 가설적인 상황에서, 충분히 긴 시간에 걸쳐 전 지구적 평균을 관측해 보면 지구로 들어오는 태양 복사와 지구에서 나가는 복사는 서로 정확히 똑같아야 한다. 이것은 지구 전체가 복사열 균형 조건을 충족하는 온도가 되려고 하기 때문이다. 예를 들어 지구의 온도가 너무 높으면, 지구 복사로 인한 열 손실이 들어오는 태양 복사로 인한 열 이득보다 커져서 지구 전체의 온도가 낮아진다. 온도가 너무 낮으면, 반대로 지구의 온도가 올라가게 된다. 장기적으로 지구의 온도는 대기권 최상단으로 들어오는 알짜 태양 복사와 지구에서 빠져나가는 복사가 균형을 이루도록 유지된다.

대기권으로 들어오는 태양 복사는 지구 전체의 평균으로 341.3Wm⁻²이며, 그중에서 대략 30%인 101.9Wm⁻²는 지표면, 구름, 에어로졸, 공기 분자를 통해 우주로 반사된다. 나머지 70%는 주로 지표면을 통해 흡수되며, 이것은 대기권 최상단에서 유입되는 알짜 일사^insolation가 239.4Wm⁻²라는 뜻이다. 이 값은 지구에서 빠져나가는 복사를 위성으로 관측해서 얻은 238.5Wm⁻²보다 조금 더 크다. 0.9Wm⁻²의 복사 불균형은 현재 진행 중인 지구 온난화와 일치하는 결과이다. 지구-대기 계가 슈테판-볼츠만 법칙^{26쪽 상자글에 설명된 흑체 복사(black body radiation)와 키르히호프의 법칙(Kirchhoff’s law) 참조}에 따라 복사한다고 가정하면, 지구의 유효 방출 온도를 대략 계산할 수 있다. 이렇게 얻어진 온도는 −18.7°C로, 지구 표면의 평균 온도 +14.5°C보다 약 33°C 낮다.

앞에서 말한 것처럼, 지구 표면이 거의 흑체처럼 복사하기 때문에 슈테판-볼츠만 법칙을 사용해 지구 표면에서 방출되는 복사의 대략적인 상향 플럭스를 추정할 수 있다. 이렇게 얻어진 플럭스는 389Wm⁻²이며, 대기권 상층부에서 빠져나가는 238.5Wm⁻²보다 훨씬 크다. 이것은 지구 표면이 방출하는 지구 복사의 상향 플럭스에서 151Wm⁻²가 지구를 빠져나가기 전에 대기에 흡수된다는 뜻이다. 간단히 말해, 대기의 온실 효과 때문에 지구 표면에서 방출되는 복사의 약 39%가 지구 밖으로 빠져나가지 못하고, 따라서 이 열이 모두 빠져나갈 때에 비해 지표면이 약 33°C만큼 더 따뜻하게 유지된다는 것이다. 따라서 위성으로 관측한 지구 복사의 방출량은 대기의 온실 효과가 존재한다는 설득력 있는 증거이며, 대기의 온실 효과란 지구 표면에서 방출되는 지구 복사의 상향 플럭스를 대기가 상당히 차단한다는 말이다.

(본문 중 일부) 

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