지구와 기후 — 판, 대기, 계절

1.지구의 내부와 판의 움직임

지구는 반지름이 약 6,400 km인 공 모양이며, 겉에서부터 지각, 맨틀, 외핵, 내핵으로 나뉩니다. 우리가 사는 지각은 사과 껍질처럼 얇고, 그 아래 맨틀은 대부분 고체이지만 아주 긴 시간에 걸쳐 천천히 흐를 수 있습니다. 외핵은 액체, 내핵은 고체 상태로 여겨집니다. 지구 내부를 직접 파 내려가 본 것은 아니며, 이 구조는 주로 지진파가 지구 내부를 지나가는 방식을 분석해 알아낸 것입니다.

지각과 맨틀 윗부분을 합친 단단한 층(암석권)은 여러 조각으로 나뉘어 있는데, 이것을 판이라고 합니다. 판은 1년에 수 cm 정도의 느린 속도로 움직입니다. 판과 판이 만나는 경계에서는 서로 부딪히거나 멀어지거나 어긋나면서 지진과 화산 활동이 집중적으로 일어납니다. 히말라야산맥은 판이 충돌해 솟아오른 곳입니다. 이처럼 판의 움직임으로 지각 변동을 설명하는 이론을 판 구조론이라고 합니다.

2.대기와 물의 순환

지구를 둘러싼 공기층인 대기는 질소가 약 78%, 산소가 약 21%를 차지하고, 나머지에 아르곤, 이산화 탄소, 수증기 등이 아주 적은 양 들어 있습니다. 높이에 따라 기온 변화를 기준으로 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 나눕니다. 구름과 비 같은 기상 현상은 대부분 가장 아래인 대류권에서 일어나고, 성층권에는 자외선을 흡수하는 오존층이 있습니다.

물은 태양 에너지를 받아 바다와 땅에서 증발하고, 하늘에서 응결해 구름이 되었다가 비나 눈으로 내리고, 강과 지하수를 따라 다시 바다로 흘러갑니다. 이 과정을 물의 순환이라고 합니다. 물이 증발할 때 흡수한 열은 구름이 될 때 대기 중에 풀려나므로, 물의 순환은 열을 옮기는 역할도 합니다. 5강에서 본 상태 변화와 열의 출입이 지구 규모로 일어나는 셈입니다.

3.날씨와 기후는 다르다

날씨는 특정한 장소와 시간의 대기 상태입니다. 오늘 서울에 비가 오고 기온이 12 °C라는 것은 날씨입니다. 기후는 한 지역에서 오랜 기간에 걸쳐 나타나는 날씨의 평균적인 경향과 변동 범위입니다. 보통 30년 동안의 기록을 기준으로 삼습니다.

그래서 어느 해 겨울이 유난히 춥다는 사실만으로 기후가 따뜻해지지 않는다고 말할 수 없고, 반대로 하루 더운 날씨만으로 기후 변화를 말할 수도 없습니다. 기후는 수십 년의 추세로 판단합니다. 날씨는 몇 시간 단위로 바뀌는 옷차림, 기후는 그 사람의 옷장이라고 비유하기도 합니다.

4.온실효과의 원리

태양에서 오는 빛은 주로 가시광선처럼 파장이 짧은 빛이어서 대기를 대부분 통과해 지표를 데웁니다. 데워진 지표는 다시 에너지를 내보내는데, 지구 정도의 온도에서 나오는 것은 눈에 보이지 않는 적외선입니다. 대기 속의 수증기, 이산화 탄소, 메테인 같은 기체는 이 적외선을 흡수했다가 사방으로 다시 내보내고, 그중 일부가 지표로 되돌아옵니다. 그 결과 지표 부근이 더 따뜻하게 유지됩니다. 이것이 온실효과입니다.

온실효과 자체는 자연스러운 현상이며 생명에 꼭 필요합니다. 온실효과가 없다면 지구의 평균 기온은 영하 18 °C 정도로 추정되는데, 실제 평균은 약 15 °C입니다. 문제가 되는 것은 화석 연료를 태우는 등 사람의 활동으로 온실 기체의 농도가 높아져 온실효과가 강해지는 것입니다. 이를 지구 온난화라고 하며, 과학계는 관측 자료와 기후 모형을 바탕으로 현재의 온난화에 사람의 활동이 주된 원인이라고 평가합니다.

이름은 온실에서 따왔지만 실제 온실이 따뜻한 주된 이유는 유리가 따뜻해진 공기가 빠져나가는 것을 막기 때문이라서, 대기의 온실효과와 원리가 완전히 같지는 않습니다.

5.숫자로 보는 지구 온난화

대기 중 이산화 탄소의 양은 보통 ppm(백만분율) 단위로 나타냅니다. 1 ppm은 공기 분자 100만 개 가운데 1개라는 뜻입니다. 산업화 이전 이산화 탄소 농도는 약 280 ppm이었는데, 화석 연료 사용 등으로 꾸준히 늘어 2020년대에는 420 ppm을 넘었습니다. 하와이 마우나로아 관측소처럼 수십 년 동안 같은 방법으로 측정해 온 기록이 이 추세를 보여 줍니다.

420 ppm은 0.042%에 불과합니다. 이렇게 적은 양이 왜 중요할까요? 공기의 대부분을 이루는 질소와 산소는 지표가 내보내는 적외선을 거의 흡수하지 않지만, 이산화 탄소는 적외선을 흡수하기 때문입니다. 공기 속에서 이런 역할을 하는 것은 수증기, 이산화 탄소, 메테인 같은 적은 양의 기체뿐이라, 이들의 농도가 조금만 바뀌어도 효과가 큽니다.

기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 2011~2020년의 지구 평균 지표 기온이 1850~1900년보다 약 1.1 °C 높았다고 평가했습니다. 1 °C 남짓은 하루 날씨에서는 작은 차이지만, 지구 전체를 수십 년 평균한 값이라는 점에서 다릅니다. 이 정도 변화에도 폭염의 빈도와 강도, 해수면 높이 등에 이미 영향이 관측되고 있습니다.

6.계절의 원인 — 거리가 아니라 기울기

「여름에는 지구가 태양에 가까워서 덥다」는 것은 널리 퍼진 오해입니다. 지구 공전 궤도는 원에 매우 가까운 타원이라 거리 차이가 작고, 오히려 지구가 태양에 가장 가까운 때는 북반구가 겨울인 1월 초입니다. 또 거리 때문이라면 남반구와 북반구의 계절이 같아야 하지만 실제로는 반대입니다.

진짜 원인은 지구의 자전축이 공전 궤도면에 수직인 방향에서 약 23.5° 기울어진 채 태양 주위를 돈다는 것입니다. 북반구가 태양 쪽으로 기울어진 여름에는 태양이 높이 떠서(남중 고도가 높아서) 같은 면적에 햇빛이 더 집중되고, 낮의 길이도 깁니다. 겨울에는 태양이 낮게 떠서 햇빛이 비스듬히 넓게 퍼지고 낮이 짧습니다. 손전등을 바닥에 수직으로 비출 때와 비스듬히 비출 때 밝기가 달라지는 것과 같은 원리입니다.