지구온난화와 대기 중 에어로솔
류 기 윤
서울과학기술대학교 화학공학과 [email protected]
과거 수십 년 간 이슈가 되었던 모든 환경 문제 중에 서 지구온난화는 가장 심각하고도 다루기 어려운 주제 일 것이다. 이는 지구온난화가 가져올지도 모르는 인 류의 생존과 관련된 심각성 때문이기도 하지만 우리가 삶을 영위하는 모든 형태(의식주를 포함한 생산 활동, 여가 등등)가 현재 기후 조건과 밀접하게 연관되어 있 기 때문이기도 하다. 이와 같은 기후 의존성은 부와 기 술을 가진 선진국들에서는 일부 완화될 수도 있겠지만, International Panel on Climate Change(IPCC)이 2007년 보고서에서 제시한 과거 100년 동안의 대륙 별
평균 기온의 변화를 보여주는 [그림 1]과 미래 기온 변화 예측을 보여주는 [그림 2]와 같은 자료들로부터 추측하건대 21세기에 우리에게 직면한 지구온난화는 지난 세기와 비교하여 규모나 인류에 미치는 영향이 훨씬 심대할 것으로 예측되고 있다.
물론 21세기 지구온난화에 대한 예측들은 아직 불확 실하다. 따라서 세계 도처에서 과학적 불확실성과 그 결과들을 정책에 반영하는 문제와 관련하여 많은 논란 이 발생하고 있다. 그러나 중요하고도 확실한 사실은 불확실성과 관련하여 양면이 있다는 점일 것이다. 즉
그림 1. 1906~2005년 사이에 관측된 대륙 별 지표 평균기온과 기후모형들의 수치모사 결과[IPCC 2007보고서].
21세기 기후는 우리가 현재 예상하는 것보다 더 적게 변화하거나 더 크게 변화하거나 할 것이라는 사실이 다. 영화 The Day After Tomorrow와 같이 현재 최 악의 시나리오는 45억년 지구 역사상 고작 몇 번의 선례가 있을 것으로 추정되는 급격하고도 항구적인 기후변화를 경고하고 있다. 기후는 사람들에게 단지 직접적으로 영향을 미치는 것만 아니라, 우리가 관계 된 것으로 인식하지 못하는 다른 환경-생태학적 과 정들에 연관되기도 한다. 결과적으로 크고 급격한 기 후변화는 대기와 수질, 생태계와 생물다양성, 해변, 습지 및 성층권 오존층 파괴 등 다른 모든 환경 문제 들과 서로 얽히고 설키어 다양한 양상으로 인류를 위 협할 수 있다.
이와 같은 불확실성과 복잡성에 더하여 또 다른 이유들로 지구온난화는 인류가 가장 다루기 어려운 주제들 중 하나가 되어가고 있다. 종종 환경 관련 이 슈들은 어려운 중재 과정과 정치적인 충돌을 동반한 다. 이는 이들 문제를 해결하기 위하여 경제 활동과 생산 기술들을 제한할 필요가 있기 때문이다. 따라서 환경 문제 해결 과정은 비용과 많은 논란을 불러일
으키기 마련이다. 그렇지만 과거에 직면했던 환경 문 제들은 지속적인 기술적 진보와 합리적인 정책들을 통해 비교적 적절한 규모의 비용과 사회가 혼란에 빠지지 않을 정도의 논란을 통해 해결되어 왔다. 예 를 들어 미국에서 시행된 산성비와 관계된 황 배출 규제를 좋은 예로 들 수 있겠다. 과거에 황을 함유한 석탄 연료에 기원한 다량의 SO2가 대기 중으로 배출 되어 산성비라는 환경 문제가 대두하게 되었다. 지난 20년 동안 굴뚝 연기에서 황을 제거하기 위한 기술 의 진보와 함께 신기술의 적용, 저유황 석탄의 사용 과 다른 연료로의 전환을 유도하기 위한 인센티브를 제공하는 잘 조율된 정책들로 상대적으로 적은 비용 으로 전력공급 중단 없이 큰 규모의 황 배출 규제를 이끌어 낼 수 있었다.
그러나 기후변화는 상황이 좀 다르다. 지구 온난 화를 유발하는 것으로 지목된 인류의 활동, 즉 에너 지원으로 화석연료의 사용은 세계 경제를 떠받들고 있는 기저일 뿐 아니라 간단한 기술적 교정으로 해 결될 수 없는 문제라는 점이다. 다시 말하면 화석연 료는 현재 전세계 에너지 공급의 거의 80%를 차지
그림 2. 기후변화 모형과 다양한 이산화탄소 배출 시나리오에 따른 21세기 지표 평균온도 변화 예측결과
[IPCC 2007 보고서].
하고 있고 이러한 막대한 에너지 공급원을 빠른 시간 에 혹은 값싸게 대체할 수 있는 기술적 대안이 현재로 서는 없다는 점이다. 결과적으로 기후변화 문제는 기 존의 다른 환경문제들과 비교하여 지구온난화가 초래 할지도 모르는 잠재적 위험의 심각성과 지구온난화를 완화하기 위한 대책들의 막대한 사회적 비용, 최상의 기술적 난이도로 인해 이러지도 저러지도 못하는 문 제가 되어가고 있다. 정치적 이슈가 이러한 성격을 가 질 때, 정치적인 논의는 점점 더 논쟁적으로 진화하게 된다. 기후변화 문제의 경우는 서로 반대되는 주장들 의 극단을 달리는 경우에 해당된다. 이러한 기후변화 논쟁 중 가장 흥미로운 점은“지구 온난화가 진행되고 있는가?”라는 가장 기본적인 과학적 인식에 대한 불일 치가 심각하다는 사실이다. 이는 정치적 입장과 정책 입안자들 사이의 불일치뿐만 아니라 과학자들 사이에 도 마찬가지다. 따라서 일반 대중들의 혼란은 더 말할 필요도 없을 것이다. 이와 같은 상황을 작은 실마리부 터 풀어가기 위한 노력 가운데 하나는 지구 온난화에 대한 과학적 예측의 정확도를 가능한 한도에서 높이 려는 노력일 것이다(너무 늦지 않기를 바란다).
UCAR 뉴스홈페이지에“Computer model demonstrates that white roofs may successfully cool cities”라는 재 미있는 논문이 소개되어 있다. 모든 건물의 지붕을 하 얀색으로 칠하면 지붕의 밀도, 지붕의 재질, 그리고 도 시의 위도 등에 따라 정도의 차이는 있겠지만 도시지 역의 기온이 평균 0.7F 내려가고 결과적으로 지구온난 화를 경감시킬 수 있다는 내용이다. 그러나 실제에서 는 먼지나 풍화작용으로 하얀색 지붕에 변색이 있을 수 있고, 지붕의 온도 변화에 따라 냉/난방에 필요한 에너지 즉 화석연료 소비량이 변화할 것이기 때문에 부차적인 효과가 있을 것이라는 점을 언급하고 있다.
간단한 예이지만 지구온난화 예측과 관련된 문제에 기 후예측 수치모형을 적용한 좋은 실례다.
기후예측 수치모형은 지표면을 구성하는 대기, 지 각, 해양 및 빙판에 대한 에너지 수지들로 구성된다.
[그림 3]에 보인 바와 같이 지구의 에너지 수지는 지 표면에 유입되는 태양 자외선 복사에너지와 방출되는 적외선 복사에너지, 지표면 구성요소들에 에너지 축 적으로 구성된다. 에너지 축적량은 지표 구성요소들 의 물리/화학적 특성의 변화에 따라 태양 복사에너지
그림 3. 현재 지구의 에너지수지.
를 흡수하는 양과 적외선 복사 에너지를 내어놓는 양 이 변화되어 달라지게 된다. 또한 지표면 위치에 따른 에너지 축적 불균형을 해소하기 위한 자연현상인 대 기대순환과 해류 등이 예측모형에 포함되어야 한다.
이와 같은 기후예측 모형은 지표면 구성요소 안에 서 진행되는 수많은 물리/화학적 과정에 대한 수치모 형과 자료들을 필요로 한다. 각각의 물리/화학적 과정 들의 정확도가 전체 기후변화에 대한 예측의 정확도 에 큰 영향을 미치는데, [그림 4]는 2007년도 IPCC 보고서에 제시된 복사강제력 변동에 영향을 미치는 주요한 물리/화학적 과정들의 기여도와 예측 정확도 를 평가한 결과를 보여준다.
대표적인 온실가스인 이산화탄소, 메탄 및 할로겐계 탄화수소와 대류권 오존은 복사강제력을 증가시키는 반면, 대기 중 에어로솔은 직/간접적인 냉각효과로 복 사강제력을 감소시킨다. 또한 온실가스로 인한 복사강 제력 증가 효과 예측은 비교적 정확도가 높은 반면에, 대기 중 에어로솔에 의한 냉각 효과의 예측 정확도는 매우 낮음을 알 수 있다. 총괄적으로 보면 대기 중 에
어로솔의 냉각효과에 대한 정확한 추정이 전체 예측 의 정확도를 향상시키는데 필수적임을 알 수 있다. 따 라서 대기 중 입자상의 생성, 성장 및 소멸에 이르는 전 과정에 대한 이해를 향상시키기 위한 지속적인 연 구와 구름 형성에 미치는 영향 등 부수적인 효과들을 정확하게 평가하기 위한 노력이 경주될 필요가 있다.
[그림 5]는 대기 중 에어로솔의 대략적인 구성 성 분을 보여준다. 발생 기원에 따라 구성 원소들이 달라 지고 입자크기 분포와 대기 중 수분과 다른 기상 성분 과의 상호작용 양상이 달라진다. [그림 6]과 같이 대 부분의 대기 중 입자상은 흡습성을 가지고 있어 대기 중 상대습도에 따라 입자크기가 변화할 뿐 아니라 입 자상이 지나온 경로에 따라 같은 화학조성에서도 다른 열역학적 상태로 존재할 수도 있다. 모든 미시적 현상 들은 전부 고려할 필요는 없겠지만 직접복사 강제력에 큰 영향을 미치는 입자 크기 분포 변화에 대한 이해와 간접복사 강제력에 영향을 미치는 구름핵 형성과 에어 로솔의 관계를 좀더 정량적으로 규명할 필요가 있다고 판단된다. 현재는 2차적으로 생성되는 대기 중 무기 에
그림 4. 주요 물리/화학적인 과정들이 지구 복사강제력에 변화에 미치는 기여도와 예측 정확도 평가[IPCC 2007 보고서].
어로솔과 유기 에어로솔에 대한 물리/화학적 특성 연 구가 활발히 진행되고 있으며, 현장 자료를 수집하기 위한 전세계 연구진들의 노력이 경주되고 있다. 이를 통해 멀지 않은 미래에 좀더 진보된 대기 중 에어로솔 에 대한 모형이 출현으로 기후변화 예측모형의 정확도 가 이른 시간 안에 향상되기를 기대해 본다.
기후변화에 대한 논의에는 사회, 경제, 정치 및 외교 등 다양한 인자와 주체들의 서로 그물처럼 얽혀있다.
따라서 이러한 기후변화에 대한 담론은 과학적인 이슈
인 동시에 매우 사회적인 논쟁을 불러일으키는 경향이 있다. 주변을 돌아보면 화학공학자들도 이러한 복잡한 지구온난화 문제와 관련해서 기후변화 회의론이나 그 반대에 치우치기 쉬운 경향이 있는 것 같다. 그렇지만 20세기에 화학공학이 인류의 삶과 복지에 기여한 것과 같이, 21세기에 인류가 직면한 기후변화 문제의 해결 에 다양한 방법으로 기여할 수 있는 방안 모색하는 것 이 화학공학자가 임무가 아닌가 생각해 본다.
