1. 지구 온난화의 현상과 과제
지구 온난화는 오래전부터 국제적 문제로 인식되어 사회적으로도 중요한 문제가 되었다. 「기후변동에 관한 정부간 패널」 (Intergovernmental Panel on Climate Change : IPCC) 이 2013년에 발표한 제5차 보고서 (IPCC-AR5) 에 따르면, 지구 전체의 평균 지상 기온은 최근 150년 동안 약 0.9℃ 상승하였으며, 게다가 앞으로 약 100년 동안 0.3~4.8℃ 상승할 것으로 예측된다. 이러한 급격한 기후변화는 환경과 생태계의 균형을 무너뜨리고, 지구 전체에 다양한 영향을 미칠 것이 우려된다. 최근의 연구 결과에는 기상 이변이나 수산물과 농작물의 불황같이 일반 사회에 직접 미치는 악영향의 가능성도 보고되고 있다. 이 장에서는 우선 지구 온난화를 일으키는 물리적인 메커니즘에 관해 설명하고, 지구 온난화 예측 모델의 구조와 예측 결과를 설명하여 다음 장들을 깊게 이해할 수 있는 도입부로 하겠다.

1.1 지구 온난화의 구조
지구 온난화는 간단히 말하면 인간이 연료를 태울 때 나오는 CO2 같은 온실효과 기체가 담요처럼 지구 전체를 덮어서 지면을 데우기 때문에 일어난다. 이 구조를 보다 더 자세히 살펴보기 위해서 지구를 둘러싼 공기 즉 대기의 온실효과부터 설명하겠다. 그림 1.1(a)와 같이 태양이 지표면을 데우는 경우를 생각해 보자. 이때 지표면의 열을 어떠한 형태로든 방출하지 않으면, 태양의 지속적인 열 공급으로 지표면 온도는 끝없이 올라간다. 실제 그렇게 온도가 올라가지 않는 것은 적외선 형태로 지표면에서 열이 계속 방출되기 때문이다. 만약 지구에 대기가 없다면, 지표면이 적외선으로 방출하는 열은 그대로 우주로 빠져나가 버린다 (그림 1.1(a)) . 지표면이 이렇게 효율적으로 열을 방출할 수 있으면, 지구 전체의 평균 기온은 -18℃로 매우 낮아진다.
하지만 지표면에서 적외선으로 방출된 열의 일부는 대기에 흡수된다 (그림 1.1(b)) . 대기가 흡수한 열은 위아래 방향으로 다시 방출된다 (이때도 역시 적외선으로 열을 방출한다) . 지표면 입장에서는 방출한 열이 되돌아오는 것이다. 대기가 없는 경우 (그림 1.1(a)) 에 비해 대기가 있는 경우 (그림 1.1(b)) 가 지표면에 열이 많이 도달하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 지표에서 방출된 적외선 (열) 을 대기가 흡수한 후 일부를 아래쪽으로 되돌려 지표면을 데우는 효과를 대기의 온실효과라고 한다. 이 온실효과 때문에 지구 전체의 평균 기온은 15℃ 정도로 살기 좋은 상태가 유지된다. 대기의 온실효과는 수증기와 CO2 같은 대기에 포함된 온실효과 기체 때문이다. 대기에 들어있는 CO2는 0.04% 정도이지만, 적절한 지표면 온도를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 대기 CO2 농도가 증가하면 온실효과도 커진다 (그림 1.1(c)) . 즉 지표면에서 방출된 적외선을 대기가 더 많이 흡수하고, 지표면을 향해 다시 방출하는 적외선 (열) 도 많아지는 것이다. 적절한 대기의 온실효과 (그림 1.1(b)) 에 비해 지표면에 도달하는 열이 더 많아져 온도도 더 올라간다. 이 상태가 지구 온난화에 해당한다.

한편, 현재 지구 표층에서 가장 큰 온실효과를 일으키는 것은 수증기이지만, 인간활동으로 증가한 CO2가 포함되지 않았기 때문에 지구 온난화를 이야기할 때는 그렇게 주목되지 않는다. 온실효과를 일으키는 대기의 모든 기체에서 80~90% 정도는 수증기의 효과이다. 인간활동으로 증가한 CO2 농도로 인해 기온이 더 올라가면 대기에 저장되는 수증기의 양도 늘어나 온난화도 더 촉진된다. 이렇게 어떠한 현상 (이 경우는 온난화) 에 대한 반응 (이 경우는 대기의 수증기 증가) 이 본래의 현상을 증폭하는 과정을 긍정적 피드백 (positive feedback) 이라 한다. 수증기는 온난화에 대해 긍정적 피드백을 일으키는 동시에 태양광을 반사하여 적외선을 흡수/방출하는 구름 생성에도 관여하고 있기 때문에 다음 절의 수치기후모델에서도 상세하게 설명하겠다.

물체가 방출하는 적외선은 온도의 4제곱에 비례하여 증가한다. 따라서 지표면 기온이 상승할수록 적외선 방출도 증가하며, 대기권 밖 우주 공간에 도달하는 적외선량은 유입되는 태양열과 균형을 이루며, 이 균형을 유지하기 위해 지표면 평균 기온이 다시 결정된다. 이때 주의할 것은 지표면 기온이 새로운 평형 온도에 도달한 후에도 유입되는 태양열은 변하지 않는다는 것이다. 따라서 우주 공간에서 보면 흑체로서 지구 평균 기온은 -18℃로 변하지 않는다. 온실효과 기체의 증가에 따라 우주 공간으로 방출하는 열을 일정하게 유지하기 위해 기온의 수직구조가 변하는 것이 지구 온난화 현상의 본질이다.

1.2 이산화탄소의 농도 상승

1.2.1 이산화탄소의 농도 관측
그림 1.2는 20세기 후반부터 현재까지 하와이 마우나로아 (Mauna Loa) 산 정상에서 대기의 CO2 농도를 연속 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서는 1년 주기로 증가와 감소를 반복하면서 지속적으로 CO2 농도가 증가하여 현재는 400ppm을 넘었다. 이렇게 증가하는 것은 인간이 석유와 같은 화석연료를 사용하여 방출된 CO2 때문이다 (1년 주기의 증감은 육지 면적이 넓은 북반구에서 여름에 식물의 광합성이 활발하고, 겨울에 약한 것에 대응하고 있다) 화를 나타낸다. 그러면 이보다 이전 시대의 대기 성분은 어떻게 알 수 있을까 과거의 대기 성분은 남극이나 그린란드에서 눈이 쌓여 만들어진 거대한 얼음덩어리 (빙상) 에 갇혀있는 공기를 분석하면 알 수 있다. 이 방법으로 측정한 과거의 CO2 농도는 약 1000년 전에 280ppm (0.028%) 였으나, 1800년 무렵을 기점으로 갑자기 증가하는 것으로 밝혀졌다. 이 시기는 인간이 석유나 석탄이라는 화석연료를 활발히 이용하기 시작했던 시기와 일치한다.

이렇게 빙상 속 공기를 분석하면 수십 만년 이전까지의 CO2 농도를 알 수 있다. 그림 1.3은 이러한 방법으로 분석한 시계열 결과이며, 지질학적 시간 규모에서 기온의 지표가 되는 중수소나 CO2를 포함한 온실효과 기체가 약 10만 년 정도의 주기로 변동하는 것을 알 수 있다. 이 연구 결과와 비교하면 현재의 대기 CO2 농도는 과거 수십만 년 동안의 변동 폭 이상으로 짧은 기간에 전례 없이 농도가 증가한 것을 알 수 있다. 인간 활동 때문에 과거 수십만 년 동안 유지되어 온 지구의 리듬이 교란되기 시작한 것이다.