기후 변화의 화학

1856년, 유니스 뉴턴 푸트(Eunice Newton Foote)라는 미국 과학자는 유리 원통에 서로 다른 기체를 채워 햇빛 아래에 두고 온도계를 지켜보았다. 이산화탄소가 담긴 원통은 다른 것들보다 더 뜨거워졌고, 그늘로 옮긴 뒤에도 가장 오래 온기를 유지했다. 이 단순한 실험대 위의 실험에서 그녀는 놀라운 결론을 이끌어냈다. 이 기체가 더 풍부한 대기는 우리 행성에 더 높은 온도를 가져다주리라는 것이었다. 몇 년 뒤 아일랜드의 물리학자 존 틴들(John Tyndall)은 훨씬 더 정밀한 기구를 사용해, 특정 기체는 열복사를 흡수하는 반면 공기의 주성분들은 그렇지 않다는 사실을 상세히 확인했다.

푸트와 틴들이 우연히 발견한 것은 기후 변화의 분자적 핵심이다. 녹아내리는 빙하와 차오르는 바다의 이미지로 흔히 들려주는 이야기는, 그 근본에서 보면 분자에 관한 이야기다. 분자가 어떻게 진동하는지, 공기와 암석과 살아 있는 조직 사이에서 어떻게 원자를 주고받는지, 그리고 바닷물에 녹았을 때 어떻게 반응하는지에 관한 이야기인 것이다. 따뜻해지는 세계를 제대로 이해하려면, 화학자의 보안경을 쓰고 개별 분자들이 무엇을 하고 있는지 들여다보는 것이 도움이 된다.

이산화탄소가 열을 가두는 이유

태양은 지구를 가시광선으로 적시는데, 우리 대기는 그 빛을 거의 손대지 않고 통과시킨다. 땅과 바다는 그 빛을 흡수해 데워지고, 그 에너지를 적외선 복사의 형태로 다시 바깥으로 내보낸다. 난로나 햇볕에 달궈진 벽에서 느껴지는, 바로 그 보이지 않는 열이다. 문제는 그 빠져나가는 열이 우주로 탈출하느냐, 아니면 도중에 붙잡히느냐다. 바로 이 지점에서 분자의 구조가 행성의 운명을 결정한다.

마른 공기의 약 99퍼센트를 이루는 두 기체, 질소와 산소는 각각 동일한 두 원자로 이루어져 있다. 그렇게 똑같은 원자 사이의 결합은 완벽하게 대칭적이기 때문에, 이 분자들은 본질적으로 적외선에 대해 투명하다. 이들은 빠져나가는 열을 붙잡지 못한다. 이산화탄소는 다르다. CO2 분자는 탄소 원자 하나를 두 개의 산소 원자가 양옆에서 둘러싼 형태이며, 그 결합은 분자 전체에 걸쳐 전하 분포를 변화시키는 방식으로 늘어나고 굽을 수 있다. 알맞은 에너지를 지닌 적외선 광자가 다가오면 분자는 그것을 흡수하고, 결합이 더 격렬하게 흔들리며, 잠시 뒤 그 에너지를 무작위한 방향으로 다시 방출한다. 그 방향은 종종 지표면 쪽이다.

온실 효과를 한 문장으로: 온실가스는 햇빛은 들여보내되 열이 빠져나가는 것은 늦추어, 지표면을 그렇지 않았을 때보다 훨씬 따뜻하게 유지한다. 이것은 결함이 아니라 필수적인 일이다. 온실 효과가 전혀 없다면 지구의 평균 지표 온도는 빙점보다 훨씬 낮은, 우리가 누리는 쾌적한 15도가 아니라 영하 18도 언저리에 머무를 것이다. 문제는 정도의 문제다. CO2와 다른 열 흡수 기체를 더 많이 더하면 담요가 두꺼워지고, 지표면은 이를 보상하기 위해 더워진다.

온실 분자들의 무리

이산화탄소가 주연을 맡지만, 무대를 혼자 쓰는 것은 아니다. 수증기는 사실 가장 풍부한 온실가스이며 온난화를 증폭시킨다. 공기가 데워지면 더 많은 수분을 머금게 되고, 그 수분이 또다시 더 많은 열을 가두기 때문이다. 하지만 수증기는 장기 추세를 이끌기보다는 온도에 반응하는 쪽이다. 과잉분은 며칠 안에 비가 되어 내려버리기 때문이다. 메탄은 천연가스의 주성분이자 소, 습지, 매립지에서 나오는 산물로, 단기적으로는 CO2보다 훨씬 강력한 흡수 분자다. 다만 화학 반응이 메탄을 분해하기까지 대기에 머무는 기간은 약 10년에 불과하다. 주로 비료를 준 토양에서 방출되는 아산화질소는 더 드물지만 극도로 오래 남는다.

이산화탄소를 남다르게 만드는 것은 그 끈질김과 어마어마한 양이다. 오늘 배출된 CO2의 상당한 비율은 수백 년 뒤에도 여전히 기후에 영향을 미치고 있을 것이다. 자연이 그것을 아주 느리게만 제거하기 때문이다. 이 끈질긴 지속력과 늘어나는 농도의 결합이야말로, CO2가 장기 기후의 주 다이얼로 취급되는 이유다. 산업 혁명 이전에 대기에는 이산화탄소가 약 280ppm 들어 있었다. 지금은 420ppm을 넘어섰는데, 이는 수백만 년 동안 지구가 본 적 없는 수준이며, 그 증가세는 석탄과 석유, 가스를 태우는 흐름과 긴밀하게 맞물려 있다.

탄소 순환: 행성 규모의 재활용 시스템

이 모든 과정에서 탄소가 새로 생기거나 사라지는 것은 아니다. 탄소는 옮겨질 뿐이다. 지구는 탄소 원자가 네 개의 거대한 저장고, 즉 대기와 바다와 생물과 암석 및 토양 사이를 오가는 거대하고 쉼 없는 재활용 작업을 돌린다. 기후 변화를 이해한다는 것은 인간 활동이 이 균형을 어떻게 밀쳐냈는지를 이해하는 일이다.

광합성과 호흡은 빠른 생물학적 고리를 이룬다. 식물과 조류, 그리고 특정 세균은 공기에서 CO2를 끌어와 햇빛을 이용해 탄소를 당으로 엮어 넣고, 부산물로 산소를 내놓는다. 그러면 동물과 미생물이 그 당을 먹고 CO2를 다시 내쉬거나, 식물 자신이 호흡한다. 1년에 걸쳐 이 고리는 막대한 양의 탄소를 들이쉬고 내쉰다. 측정된 CO2 수치가 북반구의 여름마다 숲이 잎을 틔우면서 살짝 낮아졌다가 겨울에 다시 올라가는 것도 이 때문이다.

느린 지질학적 고리는 수천 년에서 수백만 년에 걸쳐 작동한다. 화산은 지구 깊은 곳의 CO2를 내뿜는다. 녹은 이산화탄소로 인해 옅은 산성을 띠게 된 빗물은 암석을 천천히 풍화시키고 광물을 바다로 씻어 내리는데, 그곳에서 해양 생물이 탄소를 탄산칼슘 껍데기 속에 가두고, 그 껍데기는 결국 석회암이 된다. 지질 시대에 걸쳐 압축된 매장 식물체는 석탄과 석유, 가스가 되었다. 바로 여기에 문제의 핵심이 있다. 화석 연료란 느린 순환이 수억 년에 걸쳐 공기에서 거두어들인 탄소다. 그것을 태움으로써 우리는 그 태곳적 탄소를 불과 수백 년 만에 대기로 되돌려 보내고 있다. 느린 고리가 다시 끌어내릴 수 있는 속도보다 훨씬 빠르게 말이다. 자연의 순환은 대체로 균형을 이루고 있었다. 우리는 그 순환이 따라잡을 수 없는 거대한 일방통행의 흐름을 더해버린 것이다.

바다의 조용한 거래

바다는 충격을 누그러뜨려 왔다. 바닷물은 우리가 배출하는 이산화탄소의 큰 몫, 어쩌면 4분의 1 이상을 흡수하며 광대한 화학 스펀지 역할을 한다. 이 흡수가 없었다면 대기 중 CO2와 지표 온난화는 상당히 더 심각했을 것이다. 그러나 바다의 도움에는 화학적 대가가 따르며, 그 대가는 온도와는 전혀 무관한, 그 자체로 별개의 문제다.

이산화탄소가 물에 녹으면 그저 거기에 머무르지 않는다. 반응한다. CO2는 물 분자와 결합해 탄산을 형성하는데, 이는 탄산음료에 톡 쏘는 맛을 주는 바로 그 약한 산이다. 그러면 탄산은 주변 바닷물 속으로 수소 이온을 떨궈낸다. 녹은 CO2가 많아진다는 것은 탄산이 많아진다는 뜻이고, 이는 곧 자유로운 수소 이온이 많아진다는 뜻이며, 수소 이온 농도가 올라간다는 것은 정의상 산성이 높아진다는 것이다. 바다는 아주 서서히 더 산성으로 변해가고 있다. 이것이 해양 산성화이며, 때로는 지구 온난화의 똑같이 심각한 쌍둥이라 불린다.

바다가 시어질 때

숫자는 작게 들리지만 화학은 그리 너그럽지 않다. 표층 바닷물은 산업화 이전 약 8.2의 pH에서 오늘날 대략 8.1로 옮겨갔다. pH 척도는 로그 척도이기 때문에 한 단위씩의 변화가 곧 열 배의 변화를 의미하며, 따라서 그 겉보기엔 미미한 하락은 수소 이온 농도의 상당한 증가, 대략 4분의 1에서 3분의 1 정도의 증가에 해당한다. 바다는 여전히 약알칼리성이지 문자 그대로 산성은 아니지만, 꾸준히 산성 쪽으로 움직이고 있으며, 그 안에 사는 생물들에게 중요한 것은 바로 이 추세다.

껍데기를 짓는 생물들이 타격을 받는다. 산호와 굴, 홍합, 바다 달팽이, 그리고 헤아릴 수 없이 많은 작은 플랑크톤은 탄산칼슘으로 자신의 골격과 껍데기를 짓는다. 이들은 물에서 칼슘 이온과 탄산 이온을 끌어냄으로써 이 일을 한다. 그런데 여기에 잔인한 화학적 반전이 있다. 그 모든 녹은 CO2가 방출한 여분의 수소 이온이 탄산 이온과 반응해 사실상 그것들을 순환에서 제거해 버려, 이 생물들이 필요로 하는 건축 자재가 줄어드는 것이다. 충분히 산성인 물에서는 탄산칼슘 구조가 녹기 시작할 수도 있다. 실험실과 현장 연구는 이러한 조건에서 얇은 껍데기를 가진 플랑크톤과 어린 조개류가 건강한 골격을 만드는 데 애를 먹는다는 것을 보여주었다. 다만 서로 다른 종과 생태계가 정확히 어떻게 대처할지는 과학자들이 아직 밝혀내는 중이다. 그 플랑크톤들이 해양 먹이그물의 바닥 가까이에 자리하고 있기 때문에, 그 결과는 아직 완전히 이해되지 않은 방식으로 위쪽으로 파급될 수 있다.

핵심 요약

기후 변화는 근본적으로 화학 이야기다. 이산화탄소가 행성을 데우는 이유는, 질소와 산소가 놓쳐버리는 적외선 열을 그 분자 결합이 흡수했다가 다시 내보내며, 지구를 살 만한 곳으로 유지해 주는 자연의 온실 담요를 두껍게 만들기 때문이다. 이 온난화를 일으키는 탄소는 난데없이 나타난 것이 아니다. 그것은 공기와 생명, 바다와 암석 사이에서 원자를 실어 나르는 행성 규모의 순환의 일부이며, 그 순환은 우리가 화석 연료를 태우기 시작해 느린 지질학적 고리가 수억 년에 걸쳐 묻어둔 탄소를 풀어놓기 전까지는 대체로 균형을 이루고 있었다. 바다는 우리의 잉여 CO2를 많이 흡수해 더 나쁜 온난화를 면하게 해주었지만, 그 흡수는 두 번째 화학 반응, 곧 탄산의 형성을 일으키며, 이것이 바닷물의 pH를 낮추고 해양 생명의 토대에 있는 껍데기를 짓는 생물들을 위협하고 있다. 공기 속의 열과 바다 속의 산은 바로 똑같은 분자에서 비롯된다. 진동하는 결합과 녹아드는 기체, 그리고 옮겨가는 저장고의 문제로서, 화학자의 눈으로 기후 변화를 바라보는 일은 추상적인 지구적 위기를 구체적이고 기계적이며 궁극적으로 이해 가능한 무언가로 바꾸어 놓는다. 그리고 그것이 이 문제를 해결하기 위한 첫걸음이다.