지구는 어두워지고 있다.

2024년은 유난히 더웠다. 50도가 넘는 기록적인 폭염이 인도를 강타했고, 한반도의 폭염은 추석이 지나도 사그라들 생각이 없었다. 이런 이상고온 현상은 전지구적 사건이었는데, 특히 22년과 23년 사이 0.3℃ 가량의 지구온도 상승폭은 지난 50년 동안 이어져오던 온난화 추세를 훨씬 웃도는 이례적 수치였다.

과연 무엇이 그런 급격한 온도상승을 초래했을까? 그건 그저 태양활동이나 엘리뇨 같이 이내 사그라들 자연적 변동이었던 걸까? 아니면 이산화탄소의 온실효과? 아니면 2022년 통가 해저화산 폭발이 원인이었을까? — 23/24년 이상고온에 대한 과학자들의 연구는 여전히 진행중이지만, 한가지는 분명해 보인다 : 지구는 어두워지고 있다. 그리고 어쩌면, 그것은 새로운 변곡점 일지도 모른다.

화석연료 연소로 인해 대기 중에 온실효과가 더해지기 시작한것은 산업혁명 시기 부터이지만, 지구표면 평균온도이하 지구온도 의 상승이 본격적으로 시작된건 1970년 부터이다 :

Fig#1. 산업혁명 이후 지구온도 변화

그렇게 70년대부터 지금까지, 지구온도는 대략 10년마다 0.2도씩 올랐다. 이 반세기동안 지속된 온도상승의 원인은 인간활동의 부산물로써 대기 중에 추가된 온실가스이다 :

Fig#2. FaIR 모델로 계산한 1970년 이후 온도상승에서 온실가스가 차지하는 비중

보시다시피 지난 50년동안의 지구온도는 선형적으로 더해지는 온실가스의 영향을 따라가며 대략 0.1℃ 이하의 폭을 가지고 오르락 내리락 변해왔다¹. 그런데 2023년의 상승폭은 약 0.3℃이다. 이는 기후과학자들 조차 당황스러울 정도의 전례없이 높은 상승폭이었는데, 이후 과학자들은 위성관측 데이터와 기후 시뮬레이션을 통해 여러 원인들을 조사했고 그 결과 24년 12월엔 정량적인 분석을 내놓을 수 있게 되었다 :

Fig#3. 2023년 온도상승에 대한 분석결과

심도있는 이해를 위해, 우선 Fig#1에서 지구온도를 붉은색 평균온도선 아래위로 요동치게 만드는 자연적 요인은 무엇인지, 그리고 그들은 2023년의 온도변화에 어떤 영향을 끼쳤는지 살펴보자. 지구온도의 단기적 변화에 영향을 끼치는 대표요인 3가지는 다음과 같다 : 태양 주기 solar cycle / 엘리뇨-남방진동 El Niño–Southern Oscillation, ENSO / 화산.

태양 에너지 입사량 Total Solar Irradiance, TSI 은 지난 50여년 동안 대략 1,361.5W/m² 을 기준으로 0.5W/m² 가량 늘었다 줄었다를 반복해 왔는데, 2023년은 Solar Cycle 25의 최대지점 근방에 위치하고 있다² :

Fig#4. 위성관측 이후 태양에너지 입사량 변화

그런데 지구온도가 순수하게 태양에너지만으로 1도 오르려면, 그것은 얼마나 더 강해져야 하는걸까? 열역학 법칙에 의하면, 14도 정도를 유지하던 지구온도를 1도 올리기 위해선 지구전체면적에 대해 약 3.22W/m²의 에너지가 더 필요하다. 그런데 태양에너지 입사면적 $ \pi r^2 $은 지구면적 $ 4 \times \pi r^2 $ 보다 4배 작고, 또한 태양입사량의 약 30%는 구름이나 얼음 등에 의해 반사된다. 따라서 1도의 지구온도 상승이 순수하게 태양에너지 증가로 일어나기 위해선, 그것은 $ 3.22 \times \frac{4}{1-0.3} $ W/m² 만큼 — 즉 18.4W/m² 가량 증가해야 한다. 따라서 Solar Cycle 25의 최소-최대 차이인 약 1W/m² 가 23년에 갑자기 더해졌다해도 그것에 의한 온도상승은 약 0.05도 정도에 지나지 않는다.

Fig#3-B에서 온도의 원점으로 삼고있는 기준시기는 1850년에서 1900년이고, 그 사이 태양 주기는 5번 정도 반복되었다. 이 시기의 태양활동은 일정한 상승 또는 하강경향 없이 오늘날과 비슷한 수준을 유지하였으므로³, 평균 입사량 아래위의 요동들은 5번의 주기속에서 상쇄된다. 따라서 기준이 되는 태양입사량은 여전히 지금과 같은 1,361.5W/m² 수준 이고, 2023년의 입사량은 이에 비해 약 0.5W/m² 가량 높았다. 이는 비교적 큰 변동이 아니기에 선형근사를 적용해보면, 2023년의 태양활동으로 인한 온도상승은 0.025도 수준이란걸 알 수 있다. 그리고 이는 B에 제시된 +0.027K±0.005K와 거의 정확히 일치한다.

엘리뇨-남방진동은 열대 태평양의 바람과 해수면 온도분포의 변화가 전지구적 기후에 영향을 끼치는 자연현상이다. 엘리뇨 시기에는 열대 태평양 일대의 해수면온도가 상승함과 동시에 지구전체 온도가 함께 오른다. 라니냐 시기에는 반대 경향을 보인다.

2023년 중순에는 엘리뇨가 시작되어 약 1년간 지속되었다. 엘리뇨-남방진동의 강도는 ‘Niño 3.4 구역 the Niño 3.4’ 으로 불뤼는 태평양 특정구역의 해수면온도 변화를 통해 나타내어 지는데⁴, 23년 엘리뇨의 강도는 중간수준이었다 :

Fig#5. 20세기 중반 이후 Niño 3.4 구역의 해수온도변화. 이를 통해 엘리뇨의 강도를 알 수 있다.

보시다시피 ‘슈퍼 엘리뇨’라 불렸던 14-16 엘리뇨와 97-98 엘리뇨는 23-24 엘리뇨보다 배수준으로 강했다. 하지만 Fig#2에서 볼 수 있듯 당시 지구온도의 연간 상승폭은 22년과 23년 사이만큼 크진 않았다. 이 사실은 Fig#3-B의 분석에서 재차 확인 할 수 있다. 23년 중순에 시작된 엘리뇨의 기여도는 약 0.07도로 태양영향보다는 배이상 크지만, 이전의 슈퍼 엘리뇨 시기에 비하면 절반 수준이다.

통가화산 폭발은 어떤가? — 전지구적 영향을 일으키는 큰 화산활동은 태양활동 극대기나 엘리뇨 같이 자주 있진 않다. 다량의 이산화황 SO₂을 내뿜으며 수년간 지구온도를 일시적으로 냉각시키는 큰 화산폭발은 보통 1세기당 3번 정도 발생한다. 그리고 2022년 12월 통가 해저화산 폭발은 화산폭발지수Volcanic explosivity index, VEI 5 이상의 큰 폭발이었다.

이해를 돕기위해 지난 사례를 하나 살펴보자 : 1991년에 있었던 피나투보 화산폭발은 폭발 후 2년여 동안 지구온도를 0.5도 가량 떨어뜨렸다⁵. 그렇게 보통의 화산폭발은 지구전체에 냉각효과를 일으키는데, 그것의 주원인은 화산재 속에 포함된 다량의 이산화황이다. 성층권에 주입된 이산화황은 태양빛 아래서 수증기와 반응하며 황산 H₂SO₂ 에어로졸을 만드는데, 이들은~0.1um 보통의 구름을 이루는 물방울~10um 보다 100배 가량 작다. 그 작은 에어로졸은 입사되는 태양빛에 대해 강한 산란을 일으키며 보통의 구름보다 더 높은 반사율을 보이는데, 그 결과 지면으로 입사되는 태양빛 일부가 차단되며 아래의 지표면이 냉각되는것이다.

42만톤 가량의 막대한 이산화황을 내뿜었다는 점에선 통가 폭발은 피나투보 폭발과 비슷하다. 하지만 통가의 경우는 ‘해저화산’이라는 점에서 특별했다. 그것은 바다 속에서 폭발하며 이산화황 뿐만아니라 1.5억톤 가량의 물도 성층권으로 밀어 올렸는데⁶, 물분자는 이산화탄소 분자와 함께 지구가 내는 적외선을 흡수하는 대표 온실가스다⁷. 따라서 통가화산폭발은 온실효과에 대해 서로 상반된 두가지 원인을 동시에 품고 있었던 것이다.

당연히 과학자들은 측정을 통해 그 두가지 영향을 분리했다 : 위성관측 결과, 성층권의 증가한 수증기로 인한 온실효과는 최대 +0.3W/m² 수준이었고, 에어로졸에 의한 냉각효과는 최대 -1.5W/m² 수준이었다. 전체적으로는 수증기의 온실효과가 에어로졸의 냉각효과보다 적었고, 통가화산은 폭발 후 2년여동안 지구전체에 약 0.17W/m²의 냉각효과를 유발했다. 그리고 통가화산이 지구전체 에너지 균형에 끼친 영향은 2023년 말까지 거의 zero 수준으로 감소했다⁸.

Fig#4에서 볼 수 있듯, 태양입사량은 대략 11년을 주기로 1W/m² 가량의 폭을 가지고 오르락 내리락 한다. 평균적으로 보면 연간 0.2W/m² 가량 늘거나 주는 것이다. 따라서 통가폭발이 2년 동안 끼친 약 0.17W/m²의 영향은 태양입사량 변화보다 적은 수준이었고, 더군다나 그건 ‘냉각’효과였다. 통화화산 폭발이 없었다면 2023년의 온도상승폭은 오히려 더 컸을 것이다.

자, 이제 범인을 만날 차례다. 앞서 소개한 논문 이하 <Goessling>의 제목은 ‘Recent global temperature surge intensified by record-low planetary albedo Goessling et al., Science 387, 68–73 (2025)’이다. 번역하자면 ‘최근 지구온도의 급증은 기록적으로 낮은 행성 반사율로 인해 더욱 심화되었다’ 정도가 되겠다. 그러니까 이 논문은, 2023년에 있었던 0.3도 가량의 급격한 온도상승은 행성 반사율 planetary albedo의 저감으로 설명된다고 말한다.

헌데 행성 반사율은 지구의 열평형에 얼마나 중요한걸까? 지구온도가 1도 오르려면 반사율은 얼마나 낮아져야하는 걸까? — 아마 기후와 관련하여 대중 미디어에서 주로 다뤄지는 소재가 온실가스 / 빙하 / 이상기후 같은것들이다보니, ‘행성 반사율’이란 용어자체가 생소한 분들이 많을것 같다. 하지만 그것은 지구를 비롯한 행성기후에 지대한 영향을 끼친다.

앞서 태양에너지에 대해 했던 논의를 초점만 바꿔 반사율에 대해 다시 해보자. 태양입사량이 대략 1,361W/m² 라면, 지구전체 면적에 대한 평균은 1,361의 4분의 1 — 약 340W/m² 이다. 이 입사량 중 30% 가량이 구름이나 얼음에 의해 반사되는데, 우리는 그 사실은 인류역사상 가장 많은 사람이 본 사진 ‘푸른 구슬 The Blue Marble’을 통해 쉽게 확인 할 수 있다 :

Fig#6. The Blue Marble

남반구에선 거대한 남극대륙과 그 주변을 둘러싼 구름이, 북반구에선 적도지방을 둘러싼 구름벨트와 북극 해빙이 태양빛을 반사시키고 있다. 이렇게 우주로 반사되는 태양에너지는 전체 입사량의 30% 정도이고, 따라서 지표면에 흡수되는 태양에너지는 약 340×(1-0.3)W/m² = 238W/m²이다.

앞서 말했듯, 지구온도를 1도 올리기 위해선 3.22W/m²의 에너지가 필요하다. 그런데 반사도가 30%에서 29%로 떨어지면 지표면에 입사되는 태양에너지는 340×(1-0.29)W/m² = 241.4W/m² 로 올라가며, 이는 기존 입사량보다 3.4W/m² 더 높다. 즉, 빙하가 녹거나 구름량이 감소하는 등으로 반사도가 1%만 떨어져도 지구온도는 1도 이상 오른다.

반대로 반사도가 조금만 올라도 지구는 상당한 수준으로 식는다. 앞서 말했듯 실제로 피나투보 화산폭발은 이산화황을 성층권까지 뿜어올려 반사도를 높였고, 이는 전지구적 냉각효과로 이어졌다. 전면적인 핵전쟁이 파멸적인 이유도 바로 여기에 있다. 2022년 Nature Food에 발표된 한 연구는 미국과 러시아간의 핵전면전을 가정하고 그로인해 얼마나 많은 사람이 사망할지를 계산했는데, 그 추산결과는 가히 파멸적이다 : 핵폭발로 인해 즉각적으로 사망하는 사람은 3억 6천만명 수준이다. 그런데 그 후에 찾아올 핵겨울nuclear winter로 인한 사망자는 50억명에 달한다. 핵 폭발이 일으킨 먼지가 지구 반사도를 높이면 태양 입사량이 줄어들어 기온이 급감하는데, 이는 전세계 식량생산에 심대한 타격을 입히는 등의 방식으로 인류전체에 궤멸적 영향을 끼치게 되는 것이다⁹.

이처럼 행성 반사율은 1%의 증가 혹은 감소만으로도 지구전체 열평형에 심대한 영향을 끼친다. 그리고 <Goessling>은 23년의 기록적인 온도상승에 대한 원인은 기록적으로 낮은 행성 반사율 이였다고 말한다. 사실 <Goessling>이 말하는 주된 사실관계만을 전달하는게 목적이라면, 여기서 한컷의 그래프만 더 보면 된다. 하지만 그런 사실이 인류문명에 대해 의미하는 바가 무엇인지 알기위해선, 반드시 ‘기후 피드백 climate feedbacks’을 먼저 이해해야 한다.

CO2의 온실효과가 무서운것은, 그것이 단순히 지구의 복사열을 가두기 때문이 아니다. 그것이 기후시스템의 feedback을 거치며 증폭되기 때문이다¹⁰. 2000년부터 2020년 까지 대기중 CO2 농도는 45ppm 가량 올랐다¹¹. 이 추세가 그대로 이어진다면, 산업혁명이전 CO2의 농도의 2배 580ppm 에 도달하는 시점은 대략 2080년이 될것이다. 만약 다른 feedback 없이 오로지 CO2의 온실효과 3.93W/m² 만이 있다면, CO2농도 580ppm의 지구는 산업혁명 이전보다 약 1.2도 가량 높을 것이다. 그것은 인류문명이 존재했던 지난 1만년 동안 경험하지 못했던 급격한 상승이긴 하지만¹², 지금처럼 걱정할 정도는 아니다. 이미 2025년의 지구온도는 1.2도 보다 더 많이 올랐다.

문제는 CO2가 촉발한 온실효과가 여러가지 피드백을 거치며 증폭된다는 사실이다. 그 중 가장 강한 것은 Water-Vapor feedback 이하 WV feedback 이다. 온실효과 증가로 대기 온도가 높아지면 대기가 품을 수 있는 수증기량이 늘어난다. 1도 오를때마다 그 용량은 대략 7% 상승하는데¹³, 수증기 또한 온실가스 이므로 대기중 수증기 증가는 다시 추가적인 온실효과로 이어진다. 따라서 이는 양의 피드백 고리를 형성한다. 이산화탄소로 인해 촉발된 온실효과는 대기 중 수증기량을 증가시키고, 온실가스인 수증기는 지구온도를 더 올리며, 그렇게 더 올라간 온도는 대기 중 수증기 량을 더 늘리면서 — 그렇게 끝없는 순환이 형성되는 것이다¹⁴.

얼핏 생각해보면, 그런 피드백 루프는 지구온도를 끝없이 증폭 시킬 것 같다. 하지만 고등학교때 배운 무한등비급수를 생각해보면, 그 수렴/발산여부는 증폭의 정도에 따라 달라진다는걸 금방 알 수 있다. 무한등비급수에서 공비 $r$이 1보다 작으면 전체합 $S$는 일정한 값으로 수렴한다. 따라서 증폭의 정도가 원래의 온도상승을 능가하지 않으면, 피드백은 일정 수준의 증폭을 일으키며 새로운 평형상태를 형성하는 것이다.

과학자들은 WV feedback의 증폭정도를 비교적 정확히 알고있다. 그것은 지구온도 1도 상승당 +1.8W/m²의 피드백을 주는데, 이를 통해 CO2 2배 증가로 인한 온도상승은 약 2.4배 증폭된다 : $$ \Delta T = \frac{\Delta F}{\left| \alpha_P+\alpha_{WV} \right|} = \frac{3.93}{\left| -3.22+1.8 \right|} = 2.93 ^\circ C $$

여기에 다른 여러가지 feedback들이 추가되는데, 과학자들이 알고있는 그 모든 영향을 포함한 IPCC의 최근 발표에 의하면 대기중 CO2 농도가 2배가 되었을때 지구온도상승은 2.5도에서 4도 사이가 될 가능성이 높다 :

Fig#7. IPCC 6차보고서에서 발표한 기후민감도ECS의 확률분포

그러니까 대기중 CO2 농도증가가 지금과 같은 속도로 계속된다면, 2080년 즈음에는 지구온도가 산업형명 이전 보다 3도 높을 가능성이 가장 크다. 하지만 2도 밖에 안오를 가능성도 무시 할 정도는 아니다. 그리고 2도 상승을 무시 할 수 없다면, 같은 신뢰구간에 있는 5도의 상승 역시 무시 할 수 없다.

여기서 잠깐, 중요한 질문을 하나 던져보자 : 과연 인류문명에 치명적 타격을 주려면, 지구온도가 몇도 올라야 할까? — 수십억명의 인간이 사는 지구온도는 14도를 기준으로 아래위로 1도 수준을 벗어난적이 없다¹⁵. 따라서 위 질문에 대한 답은 그 누구의 분석이라도 거친 추측일 수 밖에 없는 것이다. 하지만 다수의 전문가 의견을 종합해보면, 인류문명의 안정적 존속을 위한 비교적 정확한 온도의 상한선이 자연스럽게 그려지는것 같다 :

개인적으로 느끼기에 1도의 온난화는 중세온난기 Medieval Warm Period 동안 미국 남서부에 있었던 장기적 가뭄과 같은 지역적 위험을 유발 할 수 있을 것이다. 하지만 그 정도의 온난화가 전 세계를 뒤흔들 충격적인 변화를 일으키진 않을 것 같다. 하지만 빙하기가 끝나면서 발생한 기후변화의 강도를 생각해보면¹⁶, 5도의 온난화는 지구 전체에 재앙적 결과로 이어질 수 있다 — 해양화학자 David Archer의 <Global Warming> 中

대기중 CO2 농도가 두배 증가 했을때 지구온도가 얼마나 오르는지를 ‘평형 기후 만감도 Equilibrium Climate Sensitiviry, ECS’ 라 부른다. 모든 기후모델은 ECS가 0보다 크다고 말한다 : 즉, 추가된 이산화탄소는 어느정도의 온난화를 유발한다. 하지만 서로 다른 기후모델이 예측하는 온난화의 정도는 서로 다른데, 그 범위는 약 섭씨 2도에서 4.5도 사이 — 즉, 심각한 수준에서부터 재앙적인 수준까지를 모두 포함한다 — 기후과학자 Kate Marvel, <Will Changing Cloud Cover Accelerate Global Warming?> 中

2도와 4도의 세상은 어떤 차이가 있을까? 문명의 유무일 것이다 — 대기과학자 Hasns Schellnhuber, <Breaking Boundaries>에서 발췌

그러니까, 대기 중 이산화탄소가 지금과 같이 매년 2.2ppm 가량 증가할 경우, 그로인한 온난화는 이번 세기 중순을 넘어서면서 부터 파멸적인 결과를 유발 할 수 있다. 그렇다면 기후모델의 불확실성에 대한 의문은 더 커진다 : 기후민감도의 확률분포는 왜 그렇게 넓은 범위에 퍼져있나? 실제 기후민감도가 예측범위의 상한에 있다면 인류문명의 발등엔 이미 불이 떨어진 상태이다. 당장 대기 중 탄소저감을 위해 모든 노력을 다하지 않으면 이번 세기 중순이 넘어가면서 파멸적인 결과를 맞을 수도 있다. 하지만 예측범위의 하한이 실제라면 우리는 기후문제를 보다 부드럽게 다루며 시스템 전환과정에서 발생 할 수 있는 여러 충격들을 줄일 수 있다. 이런 중요한 지점에서 기후과학이 확실한 답을 내놓지 못하는 이유는 무엇인가?

우선, WV feedback의 영향은 비교적 정확히 알고있다. 90년대 초반의 기후과학자들은 피나투보화산 폭발의 영향을 정확히 예측했는데, 이는 그들이 WV feedback이 전지구적 스케일에서 어떻게 작동하는지 잘 이해하고 있었음을 말해준다. 하지만 피나투보의 영향은 그 지속기간 폭발 후 3년 가량 으로 보나 온도변화의 정도 최대 0.5도 가량의 냉각 로 보나 수십년에 걸쳐 진행되는 온난화의 범주를 커버하지 못한다. 그리고 피나투보의 사례로는 알 수 없는 기후민감도 불확실성의 가장 큰 요인은, 바로 구름이다¹⁷ :

Fig#8. IPCC 6차 보고서에서 발표한 주요 기후피드백들에 대한 추정치

그저 상식선상에서 생각해보면, 구름은 온도상승을 줄여 줄 것 같다 : 앞서 말했듯 대기온도가 높아지면 그것이 품을 수 있는 수증기량이 늘어나는데, 대기 중 수증기량이 늘어나면 당연히 구름도 증가해야 하는것 아닌가?¹⁸ — 하지만 구름은 모든 면에서 복잡한 존재다. 우선, 구름은 공기 속에 수증기를 때려박아 넣는다 해서 생기는 것이 아니다. 순수한 수증기의 응결을 통해 물방울이 자라나기 위해선 상대습도가 수백% 정도는 되야 한다. 예를들어 0.001um 의 물방울이 만들어졌다면, 그것은 높은 표면장력과 작은 곡률로 인한 강한 표면에너지 때문에 즉시 증발된다. 그 증발을 막기위해선 상대습도가 수백% 이상 유지되어야 하는데, 이는 자연적인 대기에선 사실상 불가능한 상황이다¹⁹.

그렇다면 하늘위의 구름은 애초에 어떻게 시작된 걸까? — 입자물리 연구에 쓰이는 구름상자를 보면 그 답을 알 수 있다. 구름상자 속에는 과포화된 알코올 분자들이 있는데, 이들은 앞서 말한 이유 때문에 스스로 뭉쳐 불투명한 안개를 만들어내지 못한다. 이때 방사선 입자가 지나가면 그 속의 공기입자들이 이온화되는데, 구름상자 속의 구름은 그 이온화된 공기분자를 씨앗삼아 자란다 :

Fig#9. 구름상자에서 입자의 궤적이 형성되는 과정

알코올 같은 극성분자들은 방사선 입자를 맞고 이온화된 입자를 마치 세포막처럼 둘러싸는데, 이렇게 충분히 큰 액체방울이 생기면 비교적 낮은 상대습도에서도 쉽게 증발되지 않는다. 구름상자 속 구름은 이 ‘구름 씨앗’주변에 극성 분자들이 더해지며 자란 액체방울의 집합이다.

하늘위의 구름 역시 마찬가지다. 그들 또한 반드시 그런 ‘씨앗 Cloud Condensation Nuclei’이 있어야 자라날 수 있다. 일상적인 먼지, 식물이나 미생물이 배출한 대사산물, 바다물에서 대기로 유입된 소금결정, 화산재, 그리고 석탄을 연소하면서 나온 황산화물까지 — 육지와 바다는 끝없이 구름의 씨앗을 대기로 흩뿌리고 있고, 구름을 이루는 물방울들은 그 주변을 물방울들이 둘러싸며 자라난 결과이다.

기후 시뮬레이션에서 구름이 골칫거리인 첫번째 이유는 ‘스케일’이다. 거시적인 열전달/대류의 변화/상대습도의 변화 같은 것은 수 km 정도의 비교적 거친 해상도로도 시뮬레이션 할 수 있다. 하지만 구름의 생성은 마이크로미터 스케일에서 시작된다. 한면이 1km인 정사각형을 하나의 점으로 보는 시뮬레이션에서 어떻게 1um 수준의 먼지들, 그리고 그 먼지들의 분포를 다룰 수 있겠는가? 지구대기를 마이크로미터 스케일 단위로 쪼갠다면, 아무리 좋은 슈퍼컴퓨터를 써도 1~2초의 예측 결과 조차 내놓지 못할 것이다. 사실, 그 정도 고해상도에 대해서는 초기조건을 준비 할 수도 없다 : 어떻게 전지구 대기 속의 모든 입자와 온도의 분포를 마이크로미터 수준의 해상도로 알 수 있단 말인가? 그건 명백히 불가능한 일이다. 이런 한계로 인해, 기후 과학자들은 매개변수화 Parametrization를 통해 구름의 생성과 소멸을 거시적인 스케일에서 다소 간접적으로 기술 할 수 밖에 없다.

카메라를 뒤로 죽 당겨 구름이 내는 거시적 효과를 보면, 또 다른 복잡성이 등장한다. 예를들어, 서로 다른 고도에 존재하는 구름은 지구 열평형에 대해 서로 다른 효과를 낸다. 낮은 고도에서 하늘을 두껍게 덮고있는 구름을 생각해보자. 그들은 낮에는 태양을 가림으로써 지면을 식히지만, 밤에는 지구표면을 덮는 담요역할을 한다. 겨울철에 흐린날이 맑은날보다 더 포근한 것은, 바로 구름의 온실효과 때문인 것이다. 그러니까 같은 구름이라도 낮에는 지구를 식히고 밤에는 덥힐 수 있는데, 낮게 깔린 두꺼운 구름은 냉각 효과가 더 크다. 즉, 낮은 구름은 낮에 태양을 반사시키는 영향이 더 크기 때문에 그 면적의 증가는 지구온도를 낮추는 역할을 한다.

하지만 높은 구름은 반대다. 5km 이상의 높은 고도에서 형성된 권운 cirrus cloud 은 영하 30도 이하에서 자라 대부분 얼음으로 구성된, 비교적 투명한 구름이다. 그것은 얇은 커튼처럼 지면으로 향하는 상당량의 태양빛을 그대로 통과시키는데, 밀도가 낮은 경우엔 육안으론 구름의 존재를 알 수 없는 경우도 있다. 이처럼 높은 구름은 비교적 낮은 반사도를 가지지만, 그들은 여전히 지구를 덮는 담요역할을 하며 온실효과를 낸다. 즉, 낮은 구름은 강한 반사율을 가지며 지면을 식히는 역할을 하지만, 높은 구름은 반사율이 낮아 온실효과가 우세해지며 지면의 열을 가두는 역할을 하는 것이다.

이처럼 구름은 고도에 따라 다양한 형태를 가지고, 그들이 증감이 지구 열평형에 주는 영향은 서로 다르다. 그런데 고도 뿐 아니라 위도도 중요하다. 높은 반사도의 낮은구름이 적도부근의 넓은 영역을 덮고있으면 막대한 냉각효과를 낼 수 있다. 하지만 그 구름이 그대로 높은 위도로 옮겨간다면 어떨까? 강한 태양이 내리쬐는 적도부근의 땅과 바다는 구름이 걷히면서 데워지고, 비교적 태양 입사량의 적은 위도로 올라간 낮은구름은 같은 반사율이라도 더 적은 태양빛을 반사한다. 즉, 같은 면적의 구름이라도 다른 위도에서 다른 효과를 낼 수 있는데, 특히 적도부근의 낮은구름이 고위도로 이동하면 그 위치변화 자체가 온실효과를 더하는 역할을 하게된다²⁰.

구름의 복잡성은 여기서 끝나지 않는다. 기후 시뮬레이션에 있어 구름은 그 생성부터 소멸까지의 모든 단계가 큰 도전과제인데, 사실 앞서 살펴본 화산폭발 역시 구름생성에 상당한 영향을 끼친다. 화산 폭발로 생긴 황산 에어로졸은 그 자체로써 반사도를 높이기도 하지만, 그것을 씨앗으로 자란 구름 또한 비교적 작은 지름의 물방울로 이루어져 높은 반사율을 낸다. 이렇게 에어로졸을 씨앗삼아 자란 구름이 냉각효과를 일으키는 것을 ‘투미 효과 Twomey effect’라 부르는데, 이는 구름형성이 지면에서 일어나는 현상과 강하게 연결되있음을 보여준다 :

Fig#10. 미동부 해안 위성사진. 비행운 같이 생긴 구름들은 대형선박이 내뿜은 에어로졸로 인한 것인데, 이는 다른 구름보다 작은 물방울로 이루어져 있어 높은 반사도를 낸다.

위 사진은 미국 동부해안을 촬영한 위성사진이다. 바다를 덮고있는 구름을 보면 해안에서 시작된 비행운 같은 자취들을 확인 할 수 있는데, 이들은 대형선박이 내뿜는 연기를 씨앗삼아 자란 구름이다. 이들은 다른 구름보다 높은 반사를 내며 지면을 식히는 역할을 한다.

화산재 뿐만 아니라 석탄이나 선박연료를 태울때도 이산화황이 배출된다. 대기환경 규제가 약했던 2차대전 이후 시기엔 공장이나 발전소에서 막대한 양의 이산화황을 뿜어냈는데, 그들은 높은 반사도의 에어로졸과 구름을 형성하며 온난화 저감에 상당한 도움을 주었다. 물론 다른한편으로 그들은 스모그나 산성비의 원인이되어 사람들 건강에 치명적인 위해를 가하기도 했다.

이렇게 구름이 지구 열평형에 끼치는 영향은 그 아래에 사는 사람들의 활동에 의해 달라지기도 한다. 하지만 그 원인은 자연적인 것일 수도 있다. 예를들어 사하라 사막의 먼지는 무역풍을 타고 대서양으로 유입되는데, 그들 또한 구름의 씨앗역할을 한다. 그러니까 지구온도 상승이 대기의 흐름을 변화시킨다면 구름의 양이나 성질 또한 달라질 수 있다는 말이고, 이는 구름의 증감이나 구성을 정확히 예측하기위해선 땅과 바다와 하늘의 수없는 요소들을 고려한 고차방정식을 풀어야 함을 뜻한다.

기후예측에 있어 구름이 골칫거리인 이유는 여기서 끝나지 않지만, 그 복잡성 자체를 알리는 목적이라면 이정도 설명으로 충분한것 같다. 우리는 위 설명을 바탕으로 실제 관측 결과를 살펴볼텐데, 자연에서 벌어지고 있는 중요한 현상 한가지는 높은 반사율의 저고도 구름이 줄고 있다는 사실이다 :

Fig#11. 저층구름 면적은 2020년 경부터 지속적으로 감소하고 있으며, 이로인해 지구가 흡수하는 태양에너지는 늘고있다. 그리고 바로 이 영향이 엘리뇨와 태양활동의 영향으론 설명되지 않는 2023년의 ‘온난화 gap’을 정확히 설명한다.

과학자들은 후속연구를 통해 온난화에 대해 구름이 어떻게, 그리고 얼마나 민감하게 반응하는지를 계속해서 조사 할 것이고, 그렇게 기후민감도의 범위를 점점 더 좁혀 나갈것이다. 하지만 6차 IPCC 보고서가 발행된 이후의 연구결과들을 보면, 그것이 2도에 가깝진 않을 것 같다. 과연 기후민감도는 어디쯤에 있을까? 어쩌면 우리는 이미 기후변화의 새로운 국면에 진입 했을지도 모른다.

위 그래프의 F는 저층구름 면적의 변화를 나타내는데, 이는 대략 2020년 경부터 지속적인 감소경향을 보인다. 높은 반사율의 저층구름이 줄며 지구가 더 많은 에너지를 흡수한단 사실은 D를 통해 확인 할 수 있다. D의 그래프는 지구가 흡수한 태양에너지의 변화를 나타내는데, 이 또한 그 전까지는 ±1W/m² 수준의 변동을 보이다가 대략 2020년부터 상승경향을 이어가 2023년에는 +2W/m² 수준까지 올랐다.

저자는 이런 반사도 저하로 인한 태양 에너지 흡수 증가가 지구온도에 어떤 영향을 끼쳤는지 알기위해 반사도 변화가 없는 상황을 가정한 기후 시뮬레이션을 수행했다. 만약 반사도 변화가 없었다면, 2020년 이후의 태양에너지 흡수량 또한 지난 20년 동안 그랬듯 평균치를 기준으로 ±1W/m² 수준의 요동을 보였을 것이다. 따라서 평균적으로 보면 D에서 하늘색으로 표시한것처럼 흡수량이 기존의 수준을 유지했을 것이다. 저자는 그렇게 반사도 저감이 없을때의 지구온도 변화양상을 확인하기 위해 layer model 통한 기후 시뮬레이션을 수행했는데, 그 결과가 A에 하늘색 선으로 표시되어 있다. 정도에 있어 약간의 차이가 있지만, 서로 다른 두 관측결과 CERES, ERA5 로 도출한 결론은 동일하다 : 2023년의 지구온도 상승은 온실가스/태양/엘리뇨의 영향을 합친것 보다 약 0.2도 가량 높으며, 그 간극은 지구 반사도 저감으로 설명된다.

따라서 <Goessling>은 2023년의 이례적 온도상승은 행성 반사율 저감으로 설명됨을 말해준다. 하지만 그것이 말해주지 못하는것은 반사율 저감의 원인이다. 다양한 원인들이 고려되고 있는데, 그 중 하나는 ‘더 깨끗해진 하늘’이다.

해운과 조선에 관한 국제적 문제를 다루는 국제 해사 기구International Maritime Organization, IMO는 2020년 부터 선박연료에 대한 규제를 시행함으로써 대형선박이 내뿜는 황 배출량 sulfur emissions을 85% 가량 감축했다²¹. 또한 중국은 대기오염 저감을 위한 강력한 규제를 통해 2013년 이후 PM2.5 미세먼지 60% 감축, 이산화황 70% 감축, 질소산화물 35% 감축 등 전례없는 속도로 대기질을 개선시켰다²². 물론 이러한 노력은 공중보건에 있어서는 큰 진전이다. 하지만 온난화에 있어선 큰 부담이다.

에어로졸은 2차 세계대전 이후 공중보건의 큰 적이었지만, 온난화에 있어선 상당한 완충제 역할을 했다. 대기오염이 가장 심했던 시기에는 에어로졸이 온실효과의 80% 이상을 상쇄했는데, 그 영향이 없었다면 온난화의 시계는 대략 20년 정도 앞서갔을 것이다. 앞으로 하늘이 점점 더 깨끗해진다면 온난화의 시계는 그만큼 더 빨라질것이다²³. 그런데 기후과학자들은 최근의 지구 반사도 저감에서 에어로졸이 어느정도의 기여를 했는지, 그리고 그것을 씨앗으로 자란 구름의 영향은 얼마인지, 아직 정확히 알지 못한다.

에어로졸로 인한 반사량은 인류가 하늘을 얼마나 더 깨끗하게 만드는지에 비례하여 점점 더 줄어들 것이며, 이는 인위적 요인이다. 하지만 필자가 더 위협적으로 느끼는 요인은 자연적인 기후시스템에 내제해 있으며, 이는 자기 증폭적이다.

WV feedback과 함께 직관적으로 이해하기 쉬운 다른 한가지 feedback은 ‘ice-albedo feedback’이다. 기온이 올라 북극바다 위의 얼음이 녹으면 그 아래의 바다가 드러난다. 어두운 바다는 얼음보다 반사도가 낮으므로 더 많은 태양열을 흡수하며 추가적인 온도상승을 일으킨다. 그렇게 온도가 더 오르면 더 많은 얼음이 녹고, 녹은 얼음은 온도 상승을 더 증폭한다. 실제로 북극지역의 온난화가 가장 빠른 이유가 바로 이런 자기증폭 과정 때문이다²⁴ ²⁵.

그런데 구름은 어떻게 ice-albedo feedback과 같은 자기증폭의 순환고리를 가질 수 있을까? — 그런데 사실, 그 작동원리는 4년전 발간된 2021년 IPCC 6차 보고서에 이미 서술되어있다 :

IPCC 6차보고서 WG1 > 7.4.2.4 구름 피드백 中 :

아열대 해양 저층구름 피드

아열대 해양 저층구름 피드백지표면 온난화에 대한 아열대 해양의 저층구름의 반응이 기후시뮬레이션 모델간의 차이에 가장 큰 영향을 미친다는 주장은 오래전부터 제기되어 왔다. ······ 아열대 저층구름에 대해서는 두가지 주요 요인이 확인되었다 : 해수면 온도 상승이 구름 상층부의 건조한 공기 유입 cloud-top entrainment of dry air 을 증가시키며 저층구름을 감소시키는 열역학적 효과, 해수면 온도 상승이 역전층의 강도 inversion strength 를 강화하며 저층구름을 증가시키는 효과. ··· 분석결과 아열대 저층구름에 대해서는 전지구적으로 0.14에서 0.36 W/[m²·℃] 의 양의 피드백이 도출되었으며 ··· 아열대 해양 저층구름의 피드백이 자기증폭적이란 사실은 다양한 증거에 의해 뒷받침 된다 ···

쉽게 말하자면 이렇다²⁶ : 지구온도가 높아지면 바닷물이 더 쉽게 증발하지만, 그렇게 증발한 수증기가 대기 중으로 고루 퍼지기 위해선 시간이 필요하다. 즉, 온도가 높아질 수록 대기 중 수증기량은 전반적으로 증가하지만 구름이 형성되는 상층 습도의 증가량은 해수면에 가까운 하층 습도의 증가량을 따라가지 못해, 결국 상층과 하층간의 상대습도 차이는 더 커지게 된다. 따라서 지구온도가 높아질 수록 구름 위쪽의 대기는 더 따듯하고 건조해지는데, 이들이 구름을 보다 더 빠르게 증발 시킬 수 있는 것이다.

<Goessling>에 대한 Science 誌 에디터 Jesse Smith의 말로 이 글을 마친다 :

2023년은 왜 예상보다 훨씬 더웠을까? 적어도 온실가스와 엘리뇨가 그 원인 중 일부로 제시되었지만, 그들만으론 온도상승의 규모를 설명 할 수 없었다. Goessling을 비롯한 연구자들은 다른 원인을 확인했다 : 주로 북반구 중위도와 열대 지역의 저층구름 감소로 인한 기록적으로 낮은 행성 반사도가 바로 그것이다. 만약 만약 이러한 변화가 새로운 상태로의 전환을 의미한다면, 우리의 미래는 예상 보다 더 빨리 더워질 수 있다.

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온실가스의 영향을 온도로 환산하는데 쓰인 기후모델 ‘FaIR’에는 water-vapor feedback과 같은 즉각적인 feedback 영향이 포함되어있다.[^]
Greg Kopp’s TSI Page[^]
Long-term changes in solar activity and irradiance (2023, Chazistergos)[^]
Niño 3.4 Index and Sea Surface Temperature Anomaly Timeline: 1982-2017[^]
NASA GISS: Science Briefs: Pinatubo Climate Investigation[^]
Global Temperature Report for 2024 – Berkeley Earth | Upper Atmosphere Water Vapor Contant[^]
Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming | Science[^]
The Estimated Climate Impact of the Hunga Tonga‐Hunga Ha’apai Eruption Plume (2023, Schoeberl) , Evolution of the Climate Forcing During the Two Years After the Hunga Tonga‐Hunga Ha’apai Eruption (2024, Schoeberl)[^]
미국-러시아 핵전면전 시나리오에서 처음 1~2년 동안은 행성 반사도가 50% 수준까지 증가한다. 반사도가 정상수준으로 회복되는데까지는 15년 정도가 필요하다.[^]
Feedback – Fundamentals of Climate Change[^]
Carbon Dioxide | Vital Signs – Climate Change[^]
Holocene climatic optimum – Wikipedia[^]
Clausius–Clapeyron relation – Wikipedia[^]
지구 온도에 대한 피드백을 확인하기 위해 꼭 온실가스로 지구온도를 올려야 하는건 아니다. 태양활동이 강해지거나 약해져도 지구온도는 변할 수 있다. 태양입사량은 태양활동이 일정하더라도 밀란코비치 주기의 변화로 인해 달라질 수 있다. WV feedback은 온도변화를 촉발한 원인이 무엇이던 그 변화를 증폭시킨다. 그런데 그런 피드백이 전지구적 스케일에서 실제로 작동한다는 것을 어떻게 알 수 있을까? — 기후과학자들은 앞서 살펴봤던 피나투보 폭발을 통해 확인했다. 순수하게 반사도 상승만으로는 피나투보 폭발 후 실제 온도하강을 설명하기 못한다. 반드시 WV feedback을 포함해야 한다. 그들은 폭발 전 이미 그런 기작을 이해하고 있었고 기후 시뮬레이션을 통해 폭발 후 몇년간의 온도를 예측했으며 그것은 실제 경향과 일치했다.[^]
지구온난화 부정론자들은 이산화탄소 농도는 수천 ppm이 넘고 지구온도도 지금에 비해 10도 이상 높았던 PETM 같은 시기도 있었고, 지구전체 역사를 돌아봐도 지금은 극단적으로 추운시기이므로, 몇도정도의 온도상승은 오히려 좋다고 주장한다. 하지만 문제는 그런 환경에서 사람 한명이 숨쉬고 할 수 있는지가 아니라 100억의 인구가 안정적으로 존속 할 수 있는지의 여부다. 호모 사피엔스는 대략 20만년 전 등장했지만, 그들이 문명을 이루기 시작한것은 대략 1만년 전 부터다. 그리고 그 시점은 지구온도가 지금과 같은 평균온도 14도의 평형이 시작된 시점이고, 이후 그 평형에서 처음 벗어난것은 21세기에 들어서이다. 과연 지리적으로 단절된 독립적인 문명들이 14도의 지구가 시작된 후 동시다발적으로 나타난것은 우연일까? 과연 홀로세 기후 최적기에서 단한번도 벗어나본적 없는 인류문명이 3도 이상 오른 지구에서 그대로 존속 될 수 있을까? 전반적인 기후대가 바뀌면서 식량생산에 막대한 타격을 받고, 일부지역은 물에 잠기고 일부는 물부족에 시달리며 일부는 사막이 되며 주거가능 구역이 대대적으로 변하는 상황속에서 — 그런 급변의 지구 속에서 100억의 인류문명은 지금의 모습처럼 살아갈 수 있을까?[^]
최종빙기최성기와 현재 사이의 지구평균온도 차이는 약 6도이다.[^]
지구온난화 속에서 구름이 어떤 역할을 하는지에 대해 보다 상세히 알고싶다면, Kate Marvel의 다음 자료들을 참조바란다 : Can clouds buy us more time to solve climate change? | Kate Marvel, Will Changing Cloud Cover Accelerate Global Warming? | Scientific American[^]
놀랍게도 이정도 논리로 지구온난화를 부정하는 과학자도 있다. 더 놀라운 것은 그가 2022년 노벨 물리학상 수상자라는 사실이다 : 노벨병[^]
7.2: Nucleation of Liquid Droplets – Geosciences LibreTexts[^]
이는 현재의 온난화 속에서 실제로 관측되는 현상이다.[^]
IMO 2020 – cleaner shipping for cleaner air[^]
China: National Air Quality Action Plan (2013) – AQLI[^]
The Turning Point of the Aerosol Era – Bauer – 2022 – Journal of Advances in Modeling Earth Systems – Wiley Online Library[^]
Global Temperature | Vital Signs – Climate Change[^]
북극은 넓은 대륙에 둘러싸인 해양분지이고, 남극은 넓은 바다에 둘러쌓인 얼음대륙이다. 따라서 온난화에 따른 반응도 상당히 다르다. 바다위에 둥둥 떠있는 해빙은 본문에 설명한 feedback 루프를 충실히 따르며 온난화에 대해 비교적 단순한 거동을 보인다. 하지만 남극 대륙을 두껍게 덮고있는 얼음의 거동은 상당히 복잡하다. 남극의 얼음면적은 2010년 초반까지 오히려 증가하는 경항을 보였는데, 이 현상자체는 다소 모순적이어 보일지 모르겠으나 이 또한 온난화에 대한 자연스러운 반응이다. 온난화로 인해 얼음이 녹고 그 담수가 남극대륙 주변 바다로 유입되면 해당 지역의 염도가 떨어진다. 염도가 떨어지면 바닷물의 어는점은 더 높아지고, 이는 바닷물이 더 쉽게 얼 수 있는 환경이 형성된다는 말이다. 이와 관련한 상세한 연구결과는 다음 논문을 참조 바란다 : Important role for ocean warming and increased ice-shelf melt in Antarctic sea-ice expansion | Nature Geoscience[^]
보다 상세한 설명은 다음 논문을 참조바란다 : Estimated cloud-top entrainment index explains positive low-cloud-cover feedback | PNAS[^]